钙钛矿探测器通过工作电压调控单极载流子收集实现多能X射线检测与成像

研究人员针对传统X射线成像技术难以区分物质成分的问题，创新性地设计了基于n-i-n结构的单极钙钛矿探测器。通过调控工作电压选择性收集不同穿透深度的电子，实现了高灵敏度、低剂量4能级X射线成像，并开发了σ(Ei)/σ(Ej)数字减影算法，成功区分堆叠或并排物质的成分信息，为医学诊断和安全检测提供了新方案。

　　

1895年伦琴发现X射线以来，这项技术已成为医学诊断、安全检查等领域的核心手段。然而传统成像仅能呈现形态学信息，无法区分不同物质成分。现有双能X射线技术受限于辐射剂量和两能级分辨率，而光子计数法又面临低通量、高成本等瓶颈。针对这些挑战，研究人员开发了一种革命性的解决方案。

某研究机构团队在《SCIENCE ADVANCES》发表的研究中，创新性地构建了Bi-MAPbBr₃(n)/MAPbBr₃(i)/Bi-MAPbBr₃(n)单极探测器。该设计利用电子迁移率(μ_eτ=114.41 cm² V^-1s^-1)远高于空穴的特性，通过调节工作电压控制电子漂移长度，选择性收集不同深度产生的载流子，从而实现X射线能量分辨。研究采用液相外延生长、时间飞行法载流子测试、Geant4模拟等关键技术，开发了320单元16厘米线阵探测器系统。

关键结果

1. 器件设计：n-i-n结构使电子成为主导载流子，μ_e/μ_h>60的差异确保单极传输特性。
2. 性能表征：探测器灵敏度达1.28×10³ μC Gy_air^-1cm^-2，检测限81.2 nGy_airs^-1，响应时间<230 μs。
3. 能量分辨机制：模拟显示20-80 keV X射线在1.5 mm MAPbBr₃中呈现梯度沉积，通过10-50V电压实现4能级区分。
4. 成像应用：σ(E_i)/σ(E_j)算法成功分离堆叠的Cu/PMMA/Al层，在安检中识别出被铝箔遮盖的金属零件。

这项研究突破了传统成像的物质区分瓶颈，其单极探测器设计避免了复杂电极集成工艺，在常规X射线源下20秒即可完成多能谱成像。相比需要低温运行的CdZnTe探测器，钙钛矿方案更具成本优势，为发展新一代智能成像系统提供了重要技术路径。特别在医疗领域，该技术有望实现肿瘤组织与正常组织的精准区分，推动诊断技术进入"物质识别"新时代。