高端醫(yī)學(xué)影像設(shè)備是“卡脖子”技術(shù)之一，其核心是探測(cè)器材料，這些材料的制備技術(shù)，甚至材料本身是各家公司的核心機(jī)密。新一代計(jì)算機(jī)斷層掃描成像（CT）設(shè)備已逐步開(kāi)始采用直接進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體探測(cè)器，這些探測(cè)器要求材料對(duì)X-射線具有高靈敏度和低檢測(cè)極限以降低檢查過(guò)程中對(duì)人體的輻射劑量。目前商用X-射線探測(cè)器基于非晶硒材料，需要很高工作電壓（1 kV以上）才能保證較高靈敏度，檢測(cè)極限高，難以實(shí)現(xiàn)低劑量X-射線探測(cè)。此外，過(guò)高工作電壓增加了設(shè)備成本及危險(xiǎn)性。碲化鎘和摻鋅碲化鎘（CZT）單晶X-射線探測(cè)性能優(yōu)于非晶硒，已研究開(kāi)發(fā)多年，目前也逐漸開(kāi)始商業(yè)化。然而這種單晶生長(zhǎng)成本高，缺陷控制困難，通常一個(gè)高溫結(jié)晶的鑄塊中能夠得到的，符合要求的均勻高質(zhì)量區(qū)域最大只有1-2厘米。正處于研究前沿的是含鉛鹵化物鈣鈦礦（如CsPbBr3），這種材料易于制造大面積探測(cè)器，成本低且在低工作電壓（5 V及以下）下就可實(shí)現(xiàn)低劑量X-射線探測(cè)。但鉛鹵化物鈣鈦礦探測(cè)器在低電壓下響應(yīng)速度不足，圖像容易出現(xiàn)殘影，加大電壓提高響應(yīng)速度的同時(shí)會(huì)使暗電流大幅增大，信噪比和圖像質(zhì)量下降，因此在CT上的應(yīng)用仍處于探索中。此外，碲化鎘和鉛鹵化物鈣鈦礦等材料中都含有高濃度劇毒重金屬元素，生產(chǎn)制造過(guò)程中容易造成環(huán)境污染并危害人體健康。
近日，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室新型光電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種可作為高靈敏和低檢測(cè)極限X-射線探測(cè)器的新型層狀范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)碘化鉍。該層狀材料由兩種基本層狀結(jié)構(gòu)單元，即成分為三碘化鉍（BiI3）的I-Bi-I三原子層和成分為一碘化鉍（BiI）的I-Bi-Bi-I四原子層通過(guò)范德華力堆疊形成非周期性超結(jié)構(gòu)。范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)碘化鉍由改進(jìn)的低溫溶液晶體生長(zhǎng)方法得到。結(jié)晶過(guò)程中使用金作為催化劑催化還原3價(jià)鉍從而得到一碘化鉍。這是首次報(bào)道通過(guò)結(jié)合催化還原的溶液晶體生長(zhǎng)方法得到宏觀尺寸（毫米以上）的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，對(duì)類似材料的制備有重要參考意義。得益于優(yōu)異的電荷收集性能，范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)碘化鉍具有優(yōu)于傳統(tǒng)三碘化鉍單晶的X-射線探測(cè)性能，可實(shí)現(xiàn)低劑量X-射線探測(cè)。
圖1. 溶液方法生長(zhǎng)的層狀范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)碘化鉍
通過(guò)XRD，XPS和STEM證實(shí)I-Bi-I三原子層和I-Bi-Bi-I四原子層通過(guò)范德華力堆疊形成的超結(jié)構(gòu)。I-Bi-Bi-I四原子層內(nèi)部存在Bi雙原子層，具有高電子遷移率，有利于電荷傳輸（圖2）。
圖2. 范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)碘化鉍的結(jié)構(gòu)表征
通過(guò)DRS和UPS確定了異質(zhì)結(jié)構(gòu)碘化鉍中的雙帶隙，表明BiI3-BiI界面處存在內(nèi)建電場(chǎng)，有助于電子-空穴對(duì)分離。暗態(tài)I-V測(cè)試結(jié)果表明小帶隙（0.7 eV）的BiI不會(huì)大幅度降低電阻，材料整體仍具有大電阻，電流噪聲小，表現(xiàn)出優(yōu)異的X-射線開(kāi)/關(guān)性能，信噪比高達(dá)2000，檢測(cè)極限低至34 nGy s-1，約為醫(yī)用X-射線標(biāo)準(zhǔn)劑量的1/100（圖3、圖4）。
圖3. 范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)碘化鉍的能帶及電阻
圖4. 范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)碘化鉍的X-射線開(kāi)/關(guān)響應(yīng)及檢測(cè)極限
異質(zhì)結(jié)構(gòu)碘化鉍具有優(yōu)良的X-射線吸收性能及高靈敏度，重復(fù)/長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)X-射線照射及冷水浸泡實(shí)驗(yàn)表明有良好的輻射及潮濕環(huán)境穩(wěn)定性。材料無(wú)毒環(huán)保，制備過(guò)程簡(jiǎn)易，成本低，在較高電壓（50-200 V）下仍有良好信噪比，有望用于CT圖像領(lǐng)域（圖5）。
圖5. 范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)碘化鉍的X-射線吸收，靈敏度及穩(wěn)定性
相關(guān)成果以“Solution-grown BiI/BiI3 van der Waals heterostructures for sensitive X-ray detection”在國(guó)際著名期刊Nature Communications上發(fā)表。莊任重（現(xiàn)為龍巖學(xué)院教授）為第一作者，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室張廣宇研究員和林生晃研究員為論文共同通訊作者。
作者簡(jiǎn)介
通訊作者 張廣宇，中科院物理所研究員、課題組長(zhǎng)、納米實(shí)驗(yàn)室主任、凝聚態(tài)物理國(guó)家科學(xué)中心副主任、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室副主任。
長(zhǎng)期從事二維原子晶體材料包括石墨烯、二硫化鉬的科學(xué)研究，在二維原子晶體的可控制備與加工、物性調(diào)控、功能電子器件與量子輸運(yùn)等方面開(kāi)展了系統(tǒng)研究并取得了突出的研究成果。發(fā)表論文150余篇，包括Science 4 篇、Nature 2篇，Nature子刊17 篇，他引12500余次，H-index為50。鑒于其出色的科研工作，張廣宇先后獲得了中科院高層次人才計(jì)劃、基金委杰出青年基金、中組部萬(wàn)人計(jì)劃首批青年拔尖人才等重要項(xiàng)目的資助，他的這些研究成果獲得過(guò)北京市科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中科院“杰出科技成就獎(jiǎng)”的表彰，他個(gè)人被授予中科院青年科學(xué)家獎(jiǎng)、中國(guó)物理學(xué)會(huì)胡剛復(fù)物理獎(jiǎng)、中組部萬(wàn)人計(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、科技部創(chuàng)新人才推進(jìn)計(jì)劃創(chuàng)新領(lǐng)軍人才等榮譽(yù)。
通訊作者 林生晃，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室研究員，團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。
主要從事低維光電功能材料與器件的研發(fā)以及光電子集成方面的工作，聚焦新材料體系的構(gòu)建和新型光電子器件的系統(tǒng)集成，以期為下一代光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新思路。已發(fā)表論文90余篇，包括Nature Communications、ACS Nano、Advanced Materials等。
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(來(lái)源：半導(dǎo)體學(xué)報(bào))
