11月27日，中国科学技术大学核医学物理研究所和中国科学技术大学物理学院合作在国际著名学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上发表了题为 “A bulk Schottky junction for high-sensitivity portable radiation detectors”的学术论文，研究所的博士研究生高宁在导师徐榭教授的指导下参与研发合作，由物理学院的肖正国教授担任通讯作者。研究创新性地设计并制备出一种体相肖特基(Bulk Schottky Junction, BSJ)结构，该结构可以显著提高探测器的性能。
金属卤化物的钙钛矿材料能够很好地吸收X射线并具有优异的光电特性，已经成为了目前最有前景的辐射探测材料。由于X射线的穿透力非常强，传统的辐射探测器需要非常厚的吸收层（约几百微米）才能吸收足够的X射线。传统的辐射探测器一般采用层状结构，X射线生成的电子和空穴必须穿过整个厚厚的吸收层，最终被电极收集，然后转换成电流信号。在这个过程中，过厚的吸收层会使很多电子和空穴重新结合或者与材料中的杂质发生相互作用，导致无法有效地被电极收集，传输效率降低，从而削弱了探测器的性能。而且，传统探测器还需要使用几十伏甚至几百伏的高电压确保更多的电荷在穿越吸收层时不会被浪费，这种高电压不仅使得设备难以便携，还可能加速钙钛矿材料的性能衰退，影响长期稳定使用。
为了解决这些问题，研究团队创新性地采用了一种溶液法，将钙钛矿材料均匀地填充到孔径非常小的碳电极网格中，形成了一种新的结构-体相肖特基。在这种结构中，X射线生成的电荷只需要在大约几百纳米的短距离内迁移后，就能够被碳电极收集，大大减少了传统探测器中电荷传输过程中的损耗，并且由于电荷传输距离变短，工作电压也得以降低，探测器的稳定性也得到了提升。研究结果表明，BSJ探测器在-1 V的超低电压下就可以实现高达1.42×105μC Gyair-1 cm-2的灵敏度，最低剂量检测限低至48 nGyair s-1。此外，BSJ探测器在脉冲X射线下都能稳定运行并在储存5个月后性能几乎不发生衰减。此外，团队还制作了便携式X射线报警器，验证了其便携的应用潜力。
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）。
这项研究通过设计体相肖特基（BSJ）探测器，创新性地解决了传统X射线探测器需要高电压和厚材料的问题，达到了低功耗、高灵敏度和低检测限的目标。研究成果可以广泛应用于核设施的辐射监控和应急响应，帮助快速部署和精准检测；在环境核污染监测中，能够捕捉到微弱的辐射信号；在医学成像中，通过低剂量实现高分辨率成像，减少患者的辐射暴露；其轻便和高灵敏度设计也使其适用于工业无损检测，提高设备的安全性和可靠性。研究体现了核科学与材料科学、电子工程学等多学科的交叉融合，为核技术的发展注入了新活力。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
