图1. 器件结构和材料设计对X射线探测性能的影响

图2.团队设计的层状银铋溴材料与已发表的相关材料性能的对比

高灵敏的X射线探测器在医疗诊断、工业无损检测、安全检查等领域具有重要的应用前景。近年来，由于X射线吸收能力强、射线响应效率高以及合成工艺简单等优点，新型金属卤化物得到了快速发展并有望成为新一代X射线探测器的关键材料。太阳集团tcy8722新型半导体辐射探测技术研究团队积极发挥理论模拟计算的导向优势，在核心材料开发、器件构筑与系统集成等方面开展了大量研究验证工作，先后设计合成了一类具有更强的氢键、更高的晶体密度和更好的热力学稳定性的新型无金属卤化物射线探测材料，拓展了材料的选择范围 (Adv. Mater. 2023, 35, 2300480; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202218349; Nano Lett. 2023, 23, 9972)，研究了金属卤化物的X射线探测机理，依此设计了合理的器件结构及制备工艺，证明了其在脉冲X射线和三维成像的潜在应用 (IEEE Electron Device Letters 2023, 44, 967; Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2303417; Laser Photonics Rev. 2023, 2300654)。这些研究工作对新型金属卤化物基元模型、构效关系及大面积制备等关键科学问题和工艺问题的解决具有重要的推动作用。

近日，团队在层状银铋溴材料中基于理论模拟预测和实验验证提出了胺尺寸降低和双胺分子设计两种提升层间结合力的方案。通过把弱范德华力转换为强氢键，提升了层间结合力，降低了材料微应力，提升缺陷形成能，优化了电荷传输效率，并进一步通过器件结构优化，调节电荷传输方向，规避了有机层的高电荷传输势垒，最终大幅提高了器件的X射线探测与成像效率。相关成果以“Molecular Design of Layered Hybrid Silver Bismuth Bromine Single Crystal for Ultra-Stable X-ray Detection with Record Sensitivity”为题发表在顶级期刊《Advanced Materials》上 (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202308872)。

靳志文教授为上述研究成果的通讯作者，太阳集团tcy8722为论文的唯一单位。上述成果得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费及甘肃省杰出青年基金的大力支持。同时，相关理论计算及实验机理验证得到了兰州大学超算中心、兰州理论物理中心和量子理论及应用基础教育部重点实验室等单位的合作支持。