铋基氧化物晶体BSO实现超高灵敏度硬X射线探测：突破性"三合一"性能的革命性材料

为解决传统X射线探测材料在灵敏度、检测限和稳定性方面的瓶颈问题，山东大学晶体材料国家重点实验室团队创新性地开发了Bi12SiO20(BSO)氧化物晶体探测器。该材料展现出2.1×104 μC·Gy?1·cm?2的超高灵敏度、1.4 nGy·s?1的极低检测限及9.91×108 μC·Gy?1·cm?1·A-1/2的创纪录比探测率，为无铅环保型硬X射线探测器的发展开辟了新途径。

　　

在医疗诊断和工业检测领域，X射线探测技术正面临关键材料瓶颈。传统半导体如α-Se对硬X射线吸收率低，Cd_0.9Zn_0.1Te(CZT)虽性能优异但成本高昂，而新兴的卤化物钙钛矿材料又存在铅毒性和稳定性问题。如何开发兼具高灵敏度、低检测限和环境友好特性的新型探测材料，成为当前研究的重大挑战。

山东大学晶体材料国家重点实验室的研究团队独辟蹊径，将目光投向铋基氧化物晶体。受Bi³⁺离子独特电子结构和氧化物晶体稳定性的启发，研究人员选择具有立方晶系I23空间群的Bi₁₂SiO₂₀(BSO)作为研究对象。这种材料不仅具备9.2 g/cm³的高密度和优异的热稳定性，其3.4 cm²·V^?1·s^?1的载流子迁移率更预示着出色的探测潜力。相关成果发表在材料学顶级期刊《Materials Today》上。

研究团队采用丘克拉斯基(Czochralski, Cz)法生长厘米级BSO单晶，通过X射线光电子能谱(XPS)和霍尔效应测试等表征手段系统分析材料特性。在探测器构建中，创新性地优化了电极界面处理工艺，确保载流子的高效收集。

【The X-ray detection mechanism of BSO crystal】
研究揭示了BSO晶体的X射线探测机制：当硬X射线光子与Bi原子相互作用时，通过光电效应产生电子-空穴对。得益于2.5×10¹³ Ω·cm的高电阻率和7.5×10^-3 cm²·V^?1的优异载流子迁移率-寿命积(μτ)，这些载流子能高效传输并被电极收集。

【Conclusions】
BSO探测器在120 keV硬X射线照射下展现出2.1×10⁴ μC·Gy^?1·cm^?2的灵敏度，远超所有已报道的无机铋基钙钛矿材料。其0.85 nA/cm²(10,000 V/cm下)的超低暗电流使检测限降至1.4 nGy·s^?1，同时9.91×10⁸ μC·Gy^?1·cm^?1·A^-1/2的比探测率创造了氧化物探测器的新纪录。

这项研究的意义在于：首次证实铋基氧化物晶体在X射线探测领域的卓越性能，解决了传统材料在灵敏度、稳定性和环境友好性难以兼顾的困境。BSO晶体易于规模化生长的特性，更为低成本、高性能X射线探测器的产业化提供了全新解决方案，对推动低剂量医疗影像和精密工业检测技术的发展具有里程碑意义。