鈣鈦礦X Ray探測器研究進展

郝震宇 閆潤寶 謝振宇 李春

摘要 近年來鈣鈦礦材料由于具有合適的帶隙，并且帶隙可調，吸收系數高，以及優異的載流子運輸性能等優點，在X射線探測器領域得到了廣泛的研究。本文主要闡述X射線探測器的性能指標和鈣鈦礦材料性質的研究進展，并對未來研究方向進行展望。

【關鍵詞】平板 探測器 鈣鈦礦

1 鈣鈦礦的結構

“鈣鈦礦”一詞歸因于鈦酸鈣（CaTi03）的晶體結構，使用AB03表示。鈣鈦礦材料具有光子吸收性強，能帶寬度可以調節，激子束縛能很小，載流子的壽命長，擴散距離長等優點，使其作為X光吸收材料在光電探測器方面有重大潛在應用。

2 鈣鈦礦型探測器結構

鈣鈦礦型探測器為直接式探測器，即鈣鈦礦直接把X Ray轉化為光電子，通過TFT背板逐行掃描的模式讀取電荷，通過外圍電路處理，輸出圖像。

3 鈣鈦礦探測器的性能研究

3.1 低劑量

X射線輻射，對人體有傷害，劑量大較容易造成癌變，醫療規定小于5.5μGyairs-1，實際要求越低越好，尤其在動態拍攝中，持續照射，劑量要求更高。美國黃勁松團隊Si基單晶鈣鈦礦材料最小劑量為0.036μGyairS-1。

3.2 高靈敏度

靈敏度是指單位X射線照射下產生的電子數，主要由四個因數決定：X射線吸收率，X射線轉換系數，填充系數和PIN光電轉換系數。要求材料低劑量下產生多電子，一般要求材料X射線吸收系數大，電子和空穴產生能低。電子與空穴的遷移壽命乘積較大，保證更多的電子可以遷移到電極上，效率提升。美國黃勁松團隊制備的Si基鈣鈦礦材料，減少了漏流，提高了靈敏度，實驗測試為2.1xl04μCGyair-1cm-2。

3.3 穩定性

非晶硒探測器限制其廣泛使用的原因是溫度敏感，容易損壞，一般要求溫度不超過35℃，否則發生晶化或硒薄膜剝離，導致材料性能劣化。故材料的穩定性尤為重要，唐江團隊使用一步溶液法合成的單晶鈣鈦礦最高可以承受的溫度為430℃。

4 鈣鈦礦材料的研究進展

4.1 X射線吸收系數

X射線照射在物質表面上發生瑞利散射和透射，造成X射線的損失。要求X射線被吸收的越多越好，X射線吸收系數α代表射線束穿過材料被吸收的程度。α∝Z4/E3（Z代表原子序數，E代表X射線光子能），要求原子序數越大越好。

4.2 電子空穴產生能

電子，空穴產生能W±是決定x射線探測材料有效性產生載流子的一個重要參數。要求盡可能低，這樣每一個被吸收的x射線光子可以產生最大數目的電子.空穴對數。除a-Se外，W±不同程度線性依賴于材料禁帶寬度Eg，Klein規則認為W±=1.43+2Eg，近似關系為3Eg。

4.3 電子與空穴的遷移率壽命乘積

直接式平板探測器的鈣鈦礦層產生的光電子和空穴越多傳輸到收集電極處，效率越高，這樣就要求載流子在單位電場的遷移距離越遠越好，一般載流子遷移率壽命乘積（μt）來標示，其中μ代表載流子遷移速率，t代表載流子遷移壽命，唐江團隊合成Cs2AgBiBr6μt為6.3x10-3cm2V-1，高于非晶硒μt的10-7cm2V-l。

4.4 漏電流

漏電流會影響探測器的動態范圍以及增加噪聲水平，從而降低了信噪比。PI材料具有較高的電阻（1O18Ωcm），可以作為空穴阻擋層。韓國三星團隊使用兩步溶液法制備的鈣鈦礦探測器使用PI和禁帶寬度比較高的MAPbBr3作為空穴阻擋層，取得較好效果。唐江團隊使用高電阻的Cs2AgBiBr6（電阻為109-1011Ωcm），在-1V偏轉電壓時，測得漏流為0.15nAcm'2。

4.5 表面缺陷

電荷勢井會捕獲載流子影響探測器的殘影性能，勢井主要由存在鈣鈦礦和電極界面，以及鈣鈦礦本身的晶界，一般通過優化界面，或使用熔融和溶劑退火方法使晶粒長大，也有通過表面鈍化的方法來降低缺陷減少漏流。黃勁松團隊通過反相法制備單晶MAPbBr3，然后通過UV-O鈍化后，缺陷密度降低10倍至3x106-7xl07cm2V-1。

5 結論

鈣鈦礦材料具有合適的帶隙，并且帶隙可調，較高的吸收系數，以及優異的載流子運輸性能等優點。在鈣鈦礦探測器研究方面，通過單晶制備或是成分參雜，鈣鈦礦的靈敏度最高可以達到2.1xl04μ CGyair"cm。2，最小劑量為0.036μGyairS-1，漏流為0.15nAcm-2。并且在430℃保持性能穩定使鈣鈦礦已經基本達到了直接平板探測器光轉化層的要求。

未來鈣鈦礦探測器還是要求無鉛化，需要成分參雜來提供性能，同時也需要改進方法進行大面積單晶制備，關于表面缺陷方面，需要進一步尋找新的處理方法，最終制備出無毒，大面積，性能優良的鈣鈦礦平板探測器。

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