基于钙钛矿半导体的X射线直接探测与成像系统
X射线具有很强的穿透能力，因此被广泛应用于工业检查、安检、医学检查、科学研究等各个领域中对物质内部信息的无损探测。目前常见的X射线成像技术主要包括基于闪烁体和可见光探测阵列构成的间接成像以及基于半导体光电效应的直接成像。第一种方式受到光学串扰的影响，成像分辨率受到很大限制，同时其探测灵敏度很大程度上依赖于可见光探测器的性能，灵敏度较低。卤化物钙钛矿半导体作为一种新型的X射线直接探测材料，具有很强的X射线吸收能力、优异的载流子传输能力，同时兼具低温和低成本制备的特点，易于和多晶硅阵列结合，和目前以非晶硒为代表的成像系统相比，所用低剂量更低，更安全。
本文中，浙江大学杨旸教授课题组首先介绍了X射线与物质作用和直接探测的机理，随后系统梳理了钙钛矿X射线探测器在近几年取得的主要进展，总结和比较了它们的各项物理和器件参数，包括线性吸收系数、电子空穴对形成能W±、μτ系数、灵敏度以及最低检测极限，（文中表格1）最后提出了该领域的一些问题和潜在研究方向。
在高性能探测器的基础上，基于钙钛矿的X射线直接成像系统也得到了初步验证。目前实验室展示的原型系统主要通过单像素扫描或通过低集成度的阵列实现，验证了其可行性。令人振奋的是三星电子和韩国高校组成的研究团队展示了首个多晶钙钛矿薄膜和多晶硅TFT阵列组成的高像素成像系统，并且获得了比多晶硒成像系统更高的灵敏度和更低的成像剂量，但是目前成像分辨率只有3.1 lp/mm， 仍然远远低于多晶硒成像系统，甚至远不如很多闪烁体系统, 说明其中仍然有大量的科学和技术问题需要解决。
图1. 钙钛矿直接检测成像的研究。
(a)左：Anrad的乳房造影FPXI（AXS-2430）用于乳房造影市场。右：AXS-2430的手的X射线图像。
(b)叶子的照片（左）和相应的X射线图像（右）。
(c)左：在α-Si:H TFT背板上旋转浇铸的PI-MAPbI3的图像。右：从该MAPbI3 FPXI获得的手部X射线图像。
(d)左：制造的基于多像素晶圆的Cs2AgBiBr6多晶检测器。右上：成像过程的示意图。右下：“HUST”符号的X射线图像和光学图像。
(e)Si集成的MAPbBr3单晶的照片，该单晶的重量为10 g，附着在MAPbBr3晶体上。
(f)左：使用Si集成MAPbBr3单晶检测器进行X射线成像的示意图。右：“N”铜徽标的照片（顶部）和X射线图像（底部）。
(g)顶部：PIN阵列的照片。底部：物体照片（左）和X射线图像（右），能量为100 keV。
在文章最后，作者提出了进一步的展望。首先，相比于其它类型的光电器件，钙钛矿X射线探测器中的物理过程仍然缺乏系统和深刻的研究；其次目前单点探测器的性能已经足够高，应该更加关注成像系统的性能参数和器件及材料的关系，比如找到目前分辨率低的原因，从材料和器件角度提出解决方案；此外，开发低成本的，可与α-Si TFT背板集成的钙钛矿多晶或类单晶薄膜制备技术也值得思考；最后，钙钛矿X射线探测器的辐射硬度也是一个重要考量，这方面仍需要更多的实验数据，相关测量方法也需要规范和统一化。
综上所述，钙钛矿将作为一类具有巨大潜力的X射线探测材料，在实际成像应用中具有广阔的前景，但仍需要在相关理论、制备工艺、器件设计等方面不断努力和完善。
Perovskite semiconductors for direct X-ray detection and imaging
Yirong Su, Wenbo Ma, Yang (Michael) Yang
J. Semicond. 2020, 41(5): 051204
doi: 10.1088/1674-4926/41/5/051204
