中国半导体十大研究进展候选推荐——溶液生长BiI/BiI3范德华异质结构实现高灵敏X-射线探测

高端医学影像设备是“卡脖子”技术之一，其核心是探测器材料，这些材料的制备技术，甚至材料本身是各家公司的核心机密。新一代计算机断层扫描成像（CT）设备已逐步开始采用直接进行光电信号转换的半导体探测器，这些探测器要求材料对X-射线具有高灵敏度和低检测极限以降低检查过程中对人体的辐射剂量。目前商用X-射线探测器基于非晶硒材料，需要很高工作电压（1 kV以上）才能保证较高灵敏度，检测极限高，难以实现低剂量X-射线探测。此外，过高工作电压增加了设备成本及危险性。碲化镉和掺锌碲化镉（CZT）单晶X-射线探测性能优于非晶硒，已研究开发多年，目前也逐渐开始商业化。然而这种单晶生长成本高，缺陷控制困难，通常一个高温结晶的铸块中能够得到的，符合要求的均匀高质量区域最大只有1-2厘米。正处于研究前沿的是含铅卤化物钙钛矿（如CsPbBr3），这种材料易于制造大面积探测器，成本低且在低工作电压（5 V及以下）下就可实现低剂量X-射线探测。但铅卤化物钙钛矿探测器在低电压下响应速度不足，图像容易出现残影，加大电压提高响应速度的同时会使暗电流大幅增大，信噪比和图像质量下降，因此在CT上的应用仍处于探索中。此外，碲化镉和铅卤化物钙钛矿等材料中都含有高浓度剧毒重金属元素，生产制造过程中容易造成环境污染并危害人体健康。

近日，松山湖材料实验室新型光电功能材料与器件团队报道了一种可作为高灵敏和低检测极限X-射线探测器的新型层状范德华异质结构碘化铋。该层状材料由两种基本层状结构单元，即成分为三碘化铋（BiI3）的I-Bi-I三原子层和成分为一碘化铋（BiI）的I-Bi-Bi-I四原子层通过范德华力堆叠形成非周期性超结构。范德华异质结构碘化铋由改进的低温溶液晶体生长方法得到。结晶过程中使用金作为催化剂催化还原3价铋从而得到一碘化铋。这是首次报道通过结合催化还原的溶液晶体生长方法得到宏观尺寸（毫米以上）的范德华异质结构材料，对类似材料的制备有重要参考意义。得益于优异的电荷收集性能，范德华异质结构碘化铋具有优于传统三碘化铋单晶的X-射线探测性能，可实现低剂量X-射线探测。

图1. 溶液方法生长的层状范德华异质结构碘化铋

通过XRD，XPS和STEM证实I-Bi-I三原子层和I-Bi-Bi-I四原子层通过范德华力堆叠形成的超结构。I-Bi-Bi-I四原子层内部存在Bi双原子层，具有高电子迁移率，有利于电荷传输（图2）。

图2. 范德华异质结构碘化铋的结构表征

通过DRS和UPS确定了异质结构碘化铋中的双带隙，表明BiI3-BiI界面处存在内建电场，有助于电子-空穴对分离。暗态I-V测试结果表明小带隙（0.7 eV）的BiI不会大幅度降低电阻，材料整体仍具有大电阻，电流噪声小，表现出优异的X-射线开/关性能，信噪比高达2000，检测极限低至34 nGy s-1，约为医用X-射线标准剂量的1/100（图3、图4）。

图3. 范德华异质结构碘化铋的能带及电阻

图4. 范德华异质结构碘化铋的X-射线开/关响应及检测极限

异质结构碘化铋具有优良的X-射线吸收性能及高灵敏度，重复/长时间连续X-射线照射及冷水浸泡实验表明有良好的辐射及潮湿环境稳定性。材料无毒环保，制备过程简易，成本低，在较高电压（50-200 V）下仍有良好信噪比，有望用于CT图像领域（图5）。

图5. 范德华异质结构碘化铋的X-射线吸收，灵敏度及稳定性

相关成果以“Solution-grown BiI/BiI3 van der Waals heterostructures for sensitive X-ray detection”在国际著名期刊Nature Communications上发表。庄任重（现为龙岩学院教授）为第一作者，松山湖材料实验室张广宇研究员和林生晃研究员为论文共同通讯作者。

作者简介

通讯作者 张广宇，中科院物理所研究员、课题组长、纳米实验室主任、凝聚态物理国家科学中心副主任、松山湖材料实验室副主任。

长期从事二维原子晶体材料包括石墨烯、二硫化钼的科学研究，在二维原子晶体的可控制备与加工、物性调控、功能电子器件与量子输运等方面开展了系统研究并取得了突出的研究成果。发表论文150余篇，包括Science 4 篇、Nature 2篇，Nature子刊17 篇，他引12500余次，H-index为50。鉴于其出色的科研工作，张广宇先后获得了中科院高层次人才计划、基金委杰出青年基金、中组部万人计划首批青年拔尖人才等重要项目的资助，他的这些研究成果获得过北京市科技奖一等奖、中科院“杰出科技成就奖”的表彰，他个人被授予中科院青年科学家奖、中国物理学会胡刚复物理奖、中组部万人计划科技创新领军人才、科技部创新人才推进计划创新领军人才等荣誉。

通讯作者 林生晃，松山湖材料实验室研究员，团队负责人。

主要从事低维光电功能材料与器件的研发以及光电子集成方面的工作，聚焦新材料体系的构建和新型光电子器件的系统集成，以期为下一代光电子产业发展提供新思路。已发表论文90余篇，包括Nature Communications、ACS Nano、Advanced Materials等。

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(来源：半导体学报)