成果介紹
X射線探測技術在醫學、工業、安全和科學研究等方面具有巨大的應用潛力，其中，柔性X射線探測器能夠與非平面或復雜結構集成，并可貼合待測物體、移動介質的形狀，從而提高輻射檢測的準確性。然而，目前基于半導體的直接型X射線探測器往往具有體積大、易碎、易受環境光干擾等缺點，阻礙了它們在柔性可穿戴電子器件領域中的應用。另外，目前所報道的柔性X射線探測器往往依賴于封裝材料（如輕金屬和塑料）來降低虛警率，不利于器件向小型化、集成化反向發展。
鑒于此，本文報道了一種基于銦摻雜氧化鎵（Ga2O3:In）單根微米線的柔性日盲X射線探測器。得益于Ga2O3:In微米線較高的晶體質量、寬帶隙特征和較高的X射線吸收系數，所制備的Ag/Ga2O3:In/Ag探測器具有5.9×105?μC Gyair-1?cm-2的超高靈敏度、67.4 nGyair?s-1的檢測極限和低虛警率。另外，柔性器件在200 ℃的高溫下依然可以正常工作，具有優異的工作穩定性和高溫穩定。最后，將該器件集成到便攜式X射線探測系統中，能夠實時監測環境光中的X射線，預防X射線泄露所帶來的危害，并可以將監測結果顯示在用戶的手機界面。
圖文導讀
圖1. Ga2O3:In的第一性原理計算
首先，本文通過第一性原理計算探究了材料的結構和電學特性。理論計算表明，通過控制In元素的摻雜含量可以形成兩種穩定的結構，即InGa7O12-3和In2Ga6O12-4，根據這兩種結構的電子局域函數（ELFs）可以發現摻雜的In原子與周圍的O原子形成了較強的共價鍵，表明結構具有較高的穩定性。另外，通過計算兩種結構的能帶結構可以發現，隨著In原子摻雜含量的增加，其s軌道影響了InGa7O12-x結構的導帶組成，導致材料的帶隙減小，這與實驗結果（4.57 eV）相吻合。
圖2. Ga2O3:In微米線的材料表征
其次，本文對合成的Ga2O3:In微米線進行了材料表征。從圖2a可以看出，微米線的直徑大約為10微米，并且具有光滑的表面。拉曼和拉曼mapping測試表明該微米線具有均勻的晶體質量。通過測試材料的EDS發現In元素的占比為2.73%，且In、Ga、O三種元素均勻分布在微米線中。TEM的表征結果證明了微米線為單晶結構，且具有較高的結晶質量。此外，通過熱重分析和分子動力學模擬等手段證明了Ga2O3:In微米線具有較高的熱穩定性，即使在800 ℃高溫下材料依然具有穩定的晶體結構，表明該材料具有在極端環境下工作的潛力。
圖3.?Ga2O3:In微米線光電探測器在本征日盲光激發下的光電性能
然后，作者通過機械剝離法將所制備的Ga2O3:In微米線轉移到柔性襯底上，形成如圖3a所示的MSM型光電探測器。器件在254 nm的日盲紫外光激發下，光電流隨光強呈線性變化，光暗電流比超過7個數量級。此外，器件僅對日盲紫外光有響應，響應譜的截止邊位于272 nm附近（<280 nm），日盲/可見抑制比超過兩個數量級，表明該器件具有較好的光譜選擇性，可以避免來自太陽輻射的干擾。器件的比探測率為2.0×1013?Jones，表明器件具有弱光探測能力。器件的上升和下降時間分別為0.16和1.6 ms，具有較快的響應速度。此外，由于微米線低維特性，該柔性探測器在不同彎曲半徑和彎曲次數下均表現出良好的穩定性。
圖4. Ga2O3:In微米線光電探測器在X射線激發下的光電性能
由于微米線對X射線具有較大的吸收系數，使得器件在X射線激發下具有較高的光電轉換效率。從圖4b可以看出，器件的光電流隨X射線劑量率增加而增加，在20 V偏壓下靈敏度高達5.9×105?μC Gyair-1cm-2。此外，即使在30 nGyair-1s-1的劑量率下，器件的光暗電流依然具有明顯的可區分性，經計算可得器件的檢測極限為67.4 nGyair?s-1，低于目前常規醫學診斷所需的5.5 μGyair?s-1，表明該器件在降低X射線損傷風險方面具有較大潛力。通過與已報道的X射線探測器進行對比，該器件在靈敏度和探測極限等方面均具有明顯的優勢。此外，該器件在高溫環境下仍然具有較高的穩定性，即使在200 ℃的高溫下器件的光暗電流比依然超過1個數量級，表明器件具有在極端環境下穩定運行的潛力。
圖5. Ga2O3:In微米線X射線探測系統
最后，將該單根微米線探測器集成到X射線探測系統中，可以通過手機端實時接收來自探測器對周圍環境X射線的檢測結果，能夠避免X射線泄露對人體的危害。由于Ga2O3:In微米線光電探測器具有較高的光譜選擇性，使該探測系統能夠避免來自環境光的干擾，減弱了常規X射線探測器對封裝材料的依賴性。
本論文通過材料合成、實驗探究和理論驗證，制備了具有高靈敏度和低虛警率的柔性X射線探測器，實現了在環境光下對X射線的實時監測與預警。該研究為開發柔性、輕便、低虛警率的X射線探測系統提供了可行方案。
附柔性電子器件與智造研究所及論文作者簡介：
柔性電子器件與智造研究所依托北京理工大學集成電路與電子學院、柔性電子校級平臺和損傷器官重構與再造重點實驗室，瞄準國際科技前沿與國家重大需求，圍繞柔性電子器件與系統，從半導體材料合成、工藝開發、設備研制、系統研制等方面開展系統的前沿基礎與應用研究。通過微電子、光電子、量子信息、力學、仿生、醫療等多學科領域深度交叉，面向柔性薄膜晶體管與應用、柔性光電器件與視覺芯片、柔性感知與智能機器人、仿生傳感器與健康醫療、柔性多功能集成系統的設計與應用等多個方面，努力打造國際一流、獨具特色的柔性智能電子研發與智造平臺。研究所目前已經形成了由國家級領軍人才為帶頭人，國家級青年人才等為骨干的學術隊伍。研究所多項科研成果在Nature/Science子刊等國際重要學術期刊上發表，并多次被Nature子刊、中央電視臺等學術與新聞媒體關注和報道。
李營，北京理工大學預聘副教授，博士生導師。主要研究方向為基于金屬鹵化物和氧化物的光電探測器及仿生視覺傳感器研究。以第一/通訊作者在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Light Sci. Appl.?等期刊發表論文20余篇，論文總引用2000余次，ESI高被引論文3篇。
沈國震，北京理工大學集成電路與電子學院特聘教授、博士生導師，柔性電子器件與智造研究所所長，國家級領軍人才。長期從事低維半導體材料及相關柔性電子器件的研究。以第一完成人身份獲北京市科學技術二等獎、中國材料研究學會科學技術一等獎等。現任英國皇家化學會會士、中國材料研究學會理事。發表SCI收錄論文300余篇，獲引用超過3萬，H-index為97。
