中国科大设计出基于体相肖特基结构的便携式辐射探测器

近日，合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学技术大学物理学院、中国科学院强耦合量子材料物理重点实验室的肖正国教授课题组，创新性地设计并制备出一种体相肖特基结构。该结构利用多孔碳电极与填充在其内部的钙钛矿半导体形成。体相肖特基结将辐射探测器中的电荷传输距离降低了两个多量级，钙钛矿辐射探测器在低电压下也能实现高灵敏度，向便携式辐射探测器的广泛应用迈出重要一步。11月27日，相关研究成果以A bulk Schottky junction for high-sensitivity portable radiation detectors为题发表在国际著名学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。

金属卤化物钙钛矿材料由于其X射线吸收系数高、光电特性优异成为最有前景的辐射探测材料。由于X射线的穿透能力非常强，因此辐射探测器通常需要几百微米的厚度吸收更多的X射线。目前，传统的辐射探测器像三明治一样是层状结构，载流子必须穿过整个X射线吸收层才能被电极收集。但在这个过程中，又会发生极大的载流子损失，影响探测器性能。此外，传统的层状结构探测器通常需要几十伏甚至上百伏的工作电压，这限制了便携式器件的发展并加剧了钙钛矿器件的性能衰减。

针对上述问题，肖正国课题组利用溶液法，将钙钛矿均匀填充在孔径很小的碳电极网络中，形成体相肖特基结。在这种结构中，X光产生的电荷仅需迁移孔径距离（几百纳米）就能被碳电极收集，从而大幅减少了载流子损耗，并降低了工作电压。该结构的探测器在-1 V的超低电压下就可以实现高达1.42×10⁵mCGy_air^-1cm^-2的灵敏度，并且能够检测到非常低剂量的X射线，最低剂量检测限低至48 nGy_airs^-1。该结构不仅提高了钙钛矿辐射探测器的性能，还改善了钙钛矿辐射探测器的稳定性，使其在脉冲X射线下稳定运行并在储存5个月后几乎不发生性能衰减。此外，团队还制作了便携式X射线报警器，验证了其在便携设备中的应用潜力。该工作为提升钙钛矿辐射探测器性能和稳定性提供了全新思路，并展现了钙钛矿辐射探测器在便携式设备中的广阔前景。

传统层状结构探测器示意图（a）、体相肖特基结探测器结构示意图（b）、碳电极/钙钛矿界面处的肖特基结示意图（c）、碳电极/钙钛矿复合膜的照片（d）和SEM下的截面形貌（e）、体相肖特基结辐射探测器在不同偏压下的灵敏度（f）、自制的便携式X射线报警装置（g）、脉冲X射线下的工作稳定性（h）、长期储存稳定性（i）。

中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心博士研究生张以涵、物理学院博士研究生黄总铭为该文的共同第一作者，肖正国教授为通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金、科技部、中国科学技术大学和安徽省的大力支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54594-3

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、物理学院、中国科学院强耦合量子材料物理重点实验室、科研部）

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