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国重室王殳凹教授与王亚星副教授团队在新型辐射探测材料研究领域取得新进展

时间:2022-09-05来源:放射医学与辐射防护国家重点实验室点击:1597

放射医学与辐射防护国家重点实验室王殳凹教授与王亚星副教授团队在新型辐射探测材料研究领域取得新进展。研究团队合成了毫米级半导体金属有机框架单晶,并首次探索了该类单晶材料在阵列成像领域的潜在价值。相关成果以“Millimeter-scale semiconductive metal- organic framework single crystal for X-ray imaging”为题于近期发表于Cell Press旗下高水平期刊《Cell Reports Physical Science》。

论文链接https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101004

X射线检测材料在医疗诊断和治疗、工业无损探伤和核工业等各种技术中具有重要地位。半导体材料可直接将高能光子转换为电信号,因此具有良好的空间分辨以及快速的辐射响应能力。从材料结构和性质关系来看,半导体探测材料的化学组成、晶体质量等均是制约其对X射线吸收以及辐射场情况电荷迁移的关键因素,从而最终影响材料的辐射探测性能。近年来,作为一类新兴的电子学材料,由于具有传统无机探测材料不具备的高化学和功能设计性,半导体金属有机框架(MOF)材料备受辐射探测领域关注。团队前期工作中发现了半导体MOF在辐射下的光电导现象,发展了柔性半导体MOF膜探测材料(J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 8030−8034Angew. Chem. Int. Ed.2020, 59, 11856 –11860J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 16218−16222),初步展示了半导体MOF在辐射探测领域的巨大潜力。然而,与传统材料相比,高质量、大尺寸的半导体MOF单晶的生长仍是该领域尚未解决的问题。另外,现存微纳尺寸的半导体MOF多晶在加工成大面积电子器件方面也面临着挑战,额外的晶界和缺陷通常会影响器件电荷迁移性质,使得辐射探测性能大幅度下降。

1:半导体MOF单晶的生长和结构研究

在本工作中,研究团队首次合成了高质量的毫米级二维半导体MOFSCU-15)单晶,并探索了大尺寸单晶的辐射探测性能,验证了大晶体阵列探测器在X射线成像方面的潜在价值。研究人员发现了半导体MOF晶体生长与反应温度、配体自聚合浓度之间的关系,确定了最优的单晶生长条件,从而获得了尺寸高达2.9 × 1.9 × 1.5 mm3半导体MOF单晶,这也是目前最大尺寸的半导体MOF材料。获得的高质量MOF单晶呈现出可观的载流子迁移率与寿命积(μτ),比多晶材料性能提升达五倍之多。此外,单晶器件也呈现了具有潜力的辐射探测性能,在偏置电压仅为1 V的条件下,其探测灵敏度达到了3.51 μC Gyair−1 cm−2,未来有望应用于便携式辐射探测领域。研究人员进一步尝试利用单晶制备了阵列像素探测器,初步尝试了大尺寸半导体MOF单晶在X射线成像方面的应用。本工作为半导体MOF单晶的可控生长和辐射探测应用解决方案提供了可行参考。

2:辐射探测性能评估和X射线成像验证研究

苏州大学放射医学与辐射防护国家重点实验室核能环境化学研究中心博士生程丽葳、梁城瑜、博士后李宝玉为该论文共同第一作者,王亚星副教授为该论文通讯作者。该研究工作得到了国家基金委、江苏省科技厅的资助。