X射線探測(cè)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷、工業(yè)探傷、安防安檢等諸多領(lǐng)域，其中X射線面陣探測(cè)器是影像設(shè)備中的關(guān)鍵部件。直接探測(cè)利用半導(dǎo)體材料一步將X射線轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)高空間分辨率。鈣鈦礦材料由于X射線衰減序數(shù)高、載流子擴(kuò)散距離長(zhǎng)、輻照穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，近年來已成為直接型X射線探測(cè)器的明星材料。

基于此，武漢理工大學(xué)夏夢(mèng)玲研究員和華中科技大學(xué)牛廣達(dá)教授等在《發(fā)光學(xué)報(bào)》（EI、Scopus收錄、中文核心期刊）發(fā)表了題為“鈣鈦礦直接型X射線探測(cè)成像研究進(jìn)展”的綜述文章。

文章概括了鈣鈦礦單像素探測(cè)器和與薄膜晶體管陣列（TFT）集成的面陣探測(cè)器的特點(diǎn)和最新研究進(jìn)展，提出了目前正面對(duì)的技術(shù)挑戰(zhàn)和潛在解決方案，并對(duì)基于鹵化物鈣鈦礦的X射線面陣探測(cè)器的未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1. 單像素探測(cè)器

鈣鈦礦材料在X射線直接探測(cè)領(lǐng)域展開了大量研究，產(chǎn)生了各種形式的鹵化物鈣鈦礦，包括單晶、納米線、納米晶體、多晶厚膜、準(zhǔn)單晶膜等，并已被證明對(duì)于X射線具有良好的響應(yīng)。在成像方面，圖像傳感器通常由光電探測(cè)器陣列形成，每個(gè)光電探測(cè)器作為圖像傳感器的一個(gè)像素。

但是，目前幾乎所有鈣鈦礦探測(cè)器均基于電流信號(hào)的讀出轉(zhuǎn)化為圖像的灰度而實(shí)現(xiàn)，結(jié)合X-Y雙軸移動(dòng)平臺(tái)，在二維光學(xué)圖像的不同位置依次收集光信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)圖像傳感。單像素鈣鈦礦探測(cè)器通過沿著X-Y方向移動(dòng)，獲得二維成像能力。由于圖像傳感器的大小會(huì)受到X-Y雙軸移動(dòng)平臺(tái)限制，在商業(yè)應(yīng)用中更常見的是線性探測(cè)器陣列和平板探測(cè)陣列。由單個(gè)光電探測(cè)器排成一列組成的線性探測(cè)器陣列，則沿著一個(gè)方向掃描完成成像。

在單像素成像中，所有的光信號(hào)都是通過單個(gè)光電探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)逐個(gè)收集的，所以成像時(shí)間非常長(zhǎng)，對(duì)于高分辨率成像就更加緩慢；除此之外，單像素探測(cè)器不能用于動(dòng)態(tài)成像，所以不適用于圖像傳感的實(shí)際應(yīng)用，通常用于構(gòu)建簡(jiǎn)單的X射線探測(cè)器件測(cè)試材料性能。

2. TFT集成的面陣探測(cè)器

多像素成像與單像素成像最重要的區(qū)別在于，多像素成像將半導(dǎo)體材料集成到TFT中，每一個(gè)陣列就是一個(gè)光電傳感器。在TFT集成的面陣探測(cè)器中，半導(dǎo)體材料與TFT讀出電路相結(jié)合，半導(dǎo)體頂部覆蓋正面的公共電極，底部由TFT提供像素化電極。半導(dǎo)體在成像過程中產(chǎn)生的電信號(hào)存儲(chǔ)在讀出陣列的存儲(chǔ)電容中，讀出陣列在后端讀出電路的控制下，對(duì)存儲(chǔ)電容中的電信號(hào)逐行讀出，從而實(shí)現(xiàn)成像。圖1（a）、（b）為與TFT集成的X射線平板探測(cè)器結(jié)構(gòu)。

在成像面板的構(gòu)建中，鈣鈦礦材料的低溫制備特性使其與TFT或CMOS讀出電路耐受溫度兼容。而面陣集成需要大面積活性區(qū)域；同時(shí)，具有一定厚度的鈣鈦礦材料能更充分地吸收X射線。因此，大面積多晶鈣鈦礦厚膜是面陣探測(cè)器非常有吸引力的選擇。

為了解決鈣鈦礦厚膜內(nèi)部孔洞及缺陷的問題，如圖1（c）所示，利用軟壓輔助低溫溶液處理以及多功能粘結(jié)劑聚合制備鈣鈦礦厚膜，相較于常規(guī)方法制備厚膜，軟壓使晶粒排布更加致密，抑制離子遷移獲得高質(zhì)量厚膜。

圖1：（a）刮涂法制備的數(shù)字X射線探測(cè)器結(jié)構(gòu)；（b）鈣鈦礦材料旋轉(zhuǎn)涂敷在TFT背板；（c）鈣鈦礦厚膜制備方法，上：軟壓輔助的低溫溶液處理以及多功能粘結(jié)劑原位聚合制備，下：常規(guī)自然結(jié)晶。

3. 展望

近年來，鈣鈦礦材料在X射線探測(cè)領(lǐng)域取得了一定進(jìn)步，但絕大多數(shù)仍然是基于單像素探測(cè)器的移動(dòng)成像。國(guó)際國(guó)內(nèi)都已經(jīng)成功構(gòu)建與TFT集成的多像素面陣探測(cè)器，但這方面的研究才剛剛起步，目前僅有三篇報(bào)道，分別來自三星公司、西門子公司、華中科技大學(xué)/奕瑞科技聯(lián)合攻關(guān)，且仍然存在空間分辨率低的問題。要實(shí)現(xiàn)高分辨率、高靈敏度和低成像劑量的面陣探測(cè)器，還需要在材料、器件結(jié)構(gòu)、芯片設(shè)計(jì)、探測(cè)原理等方面進(jìn)行進(jìn)一步探索。

（1）從材料方面：減小鈣鈦礦層內(nèi)部的離子遷移

X射線激發(fā)下，鈣鈦礦中的光生載流子(主要是電子)最終到達(dá)芯片中的存儲(chǔ)電容，產(chǎn)生感應(yīng)電壓，從而抵消一部分實(shí)際偏置電壓，影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍和成像分辨率。這也是X射線面陣探測(cè)器中的共性問題，如非晶硒X射線探測(cè)器通過加高電壓以確保與施加的偏壓相比電容上的電壓降可以忽略，從而保證成像質(zhì)量。隨著偏置電壓的增加，暗電流也會(huì)增大，為了使暗電流不超出芯片電容的承載能力，需要增加鈣鈦礦材料內(nèi)部的離子遷移勢(shì)壘，以抑制離子遷移。為了抑制離子遷移，需要對(duì)材料質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。

（2）從器件結(jié)構(gòu)方面：構(gòu)建PIN型器件結(jié)構(gòu)或肖特基電極接觸

選擇能級(jí)匹配的功能層或電極結(jié)構(gòu)，可以使得器件在偏置電壓下的注入暗電流受到能級(jí)勢(shì)壘的阻擋，而使有源區(qū)產(chǎn)生的光生載流子可以被電極有效地抽取與收集。例如引入重?fù)诫s（>101? cm?3）的空穴傳輸層(NiO、CuI等)和電子傳輸層(ZnO、SnO?等)，構(gòu)建PIN型全耗盡器件，可以使其工作在所需的高偏置電壓下增加載流子的抽取，同時(shí)降低暗電流并抑制離子遷移。另一方面，對(duì)于鈣鈦礦單晶，可以構(gòu)筑單邊或雙邊肖特基電極接觸，例如采用低功函的Ga電極阻擋注入電子等。

（3）從芯片設(shè)計(jì)方面：兼顧電容大小和像素大小

為了配合高外加偏壓導(dǎo)致的大暗電流，芯片電容的大小需要向更大的趨勢(shì)發(fā)展；但以目前工藝，大電容會(huì)帶來像素的增大，當(dāng)像素大到一定程度時(shí)，成像空間分辨率完全由像素大小決定，而與探測(cè)材料或原理無關(guān)。因此，為了實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度和空間分辨率，芯片電容和像素尺寸的設(shè)計(jì)需要兼顧，以獲取最佳方案。

（4）從原理方面：由電荷積分型向光子計(jì)數(shù)型發(fā)展

對(duì)于室溫下工作的半導(dǎo)體X射線探測(cè)器，一般采用電荷積分和光子計(jì)數(shù)兩種信號(hào)方式。電荷積分模式對(duì)探測(cè)器在一定時(shí)間內(nèi)沉積的總能量進(jìn)行積分，不量化入射光子的數(shù)量和能量，而光子計(jì)數(shù)模式可以區(qū)分入射的單個(gè)X射線光子的能量。由于成像對(duì)比度的顯著增強(qiáng)和輻射劑量的減少，光子計(jì)數(shù)X射線探測(cè)成像是未來醫(yī)學(xué)和無損檢測(cè)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。由于電荷捕獲和堆積，高通量光子(>100萬光子/（mm2·s）)計(jì)數(shù)受到讀出電子學(xué)的限制，目前只有CdTe和CdZnTe材料實(shí)現(xiàn)了光子計(jì)數(shù)型X射線探測(cè)器。

鈣鈦礦材料的靈敏度高，尤其是全無機(jī)CsPbBr?鈣鈦礦可與傳統(tǒng)的商用半導(dǎo)體CdZnTe材料媲美，在化學(xué)穩(wěn)定性和器件穩(wěn)定性方面也具有很大的優(yōu)勢(shì)。要實(shí)現(xiàn)基于鈣鈦礦的單光子計(jì)數(shù)型X射線探測(cè)，需要具有光譜響應(yīng)的鈣鈦礦單晶輻射探測(cè)器。目前許多載流子注入型器件表現(xiàn)出光增益，并伴隨著較大的暗電流，無法維持高外加電場(chǎng)，因而無法實(shí)現(xiàn)光子計(jì)數(shù)。高質(zhì)量的鈣鈦礦單晶和優(yōu)化的器件結(jié)構(gòu)，有望發(fā)展基于光子計(jì)數(shù)型的X射線面陣探測(cè)器。

| 作者簡(jiǎn)介 |

孫錫娟，碩士研究生，2021年于三峽大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事鈣鈦礦X射線探測(cè)方向的研究。

E-mail：sun1511351@163. com

夏夢(mèng)玲，博士，研究員，入選中國(guó)科協(xié)“青年人才托舉工程”。2012年、2017年分別于武漢理工大學(xué)獲學(xué)士、博士學(xué)位，2018年進(jìn)入華中科技大學(xué)光學(xué)工程流動(dòng)站從事博士后研究，2022年入職武漢理工大學(xué)材料學(xué)院（研究員）。主要從事半導(dǎo)體光電材料與器件的研究。

E-mail：xiamengling@whut.edu.cn

牛廣達(dá)，博士，教授，入選國(guó)家“萬人計(jì)劃”青年拔尖人才。2011年于南京大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，2016年于清華大學(xué)獲博士學(xué)位，2017年入職華中科技大學(xué)。研究成果2次入選中國(guó)光學(xué)年度進(jìn)展，2次入選華中科技大學(xué)重大學(xué)術(shù)進(jìn)展，曾獲湖北省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。主要從事金屬鹵化物X射線探測(cè)器及成像技術(shù)的研究。

E-mail：guangda_niu@hust.edu.cn

| 論文信息 |

孫錫娟，夏夢(mèng)玲，許銀生等.鈣鈦礦直接型X射線探測(cè)成像研究進(jìn)展[J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2022, 43(7): 1014-1026. 

https://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20220119

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