成果介绍

X射线探测技术在医学、工业、安全和科学研究等方面具有巨大的应用潜力，其中，柔性X射线探测器能够与非平面或复杂结构集成，并可贴合待测物体、移动介质的形状，从而提高辐射检测的准确性。然而，目前基于半导体的直接型X射线探测器往往具有体积大、易碎、易受环境光干扰等缺点，阻碍了它们在柔性可穿戴电子器件领域中的应用。另外，目前所报道的柔性X射线探测器往往依赖于封装材料（如轻金属和塑料）来降低虚警率，不利于器件向小型化、集成化反向发展。

鉴于此，本文报道了一种基于铟掺杂氧化镓（Ga₂O₃:In）单根微米线的柔性日盲X射线探测器。得益于Ga₂O₃:In微米线较高的晶体质量、宽带隙特征和较高的X射线吸收系数，所制备的Ag/Ga₂O₃:In/Ag探测器具有5.9×10⁵μC Gy_air^-1cm^-2的超高灵敏度、67.4 nGy_airs^-1的检测极限和低虚警率。另外，柔性器件在200 ℃的高温下依然可以正常工作，具有优异的工作稳定性和高温稳定。最后，将该器件集成到便携式X射线探测系统中，能够实时监测环境光中的X射线，预防X射线泄露所带来的危害，并可以将监测结果显示在用户的手机界面。

图文导读

图1. Ga₂O₃:In的第一性原理计算

首先，本文通过第一性原理计算探究了材料的结构和电学特性。理论计算表明，通过控制In元素的掺杂含量可以形成两种稳定的结构，即InGa₇O₁₂-3和In₂Ga₆O₁₂-4，根据这两种结构的电子局域函数（ELFs）可以发现掺杂的In原子与周围的O原子形成了较强的共价键，表明结构具有较高的稳定性。另外，通过计算两种结构的能带结构可以发现，随着In原子掺杂含量的增加，其s轨道影响了InGa₇O₁₂-x结构的导带组成，导致材料的带隙减小，这与实验结果（4.57 eV）相吻合。

图2. Ga₂O₃:In微米线的材料表征

其次，本文对合成的Ga₂O₃:In微米线进行了材料表征。从图2a可以看出，微米线的直径大约为10微米，并且具有光滑的表面。拉曼和拉曼mapping测试表明该微米线具有均匀的晶体质量。通过测试材料的EDS发现In元素的占比为2.73%，且In、Ga、O三种元素均匀分布在微米线中。TEM的表征结果证明了微米线为单晶结构，且具有较高的结晶质量。此外，通过热重分析和分子动力学模拟等手段证明了Ga₂O₃:In微米线具有较高的热稳定性，即使在800 ℃高温下材料依然具有稳定的晶体结构，表明该材料具有在极端环境下工作的潜力。

图3. Ga₂O₃:In微米线光电探测器在本征日盲光激发下的光电性能

然后，作者通过机械剥离法将所制备的Ga₂O₃:In微米线转移到柔性衬底上，形成如图3a所示的MSM型光电探测器。器件在254 nm的日盲紫外光激发下，光电流随光强呈线性变化，光暗电流比超过7个数量级。此外，器件仅对日盲紫外光有响应，响应谱的截止边位于272 nm附近（<280 nm），日盲/可见抑制比超过两个数量级，表明该器件具有较好的光谱选择性，可以避免来自太阳辐射的干扰。器件的比探测率为2.0×10¹³Jones，表明器件具有弱光探测能力。器件的上升和下降时间分别为0.16和1.6 ms，具有较快的响应速度。此外，由于微米线低维特性，该柔性探测器在不同弯曲半径和弯曲次数下均表现出良好的稳定性。

图4. Ga₂O₃:In微米线光电探测器在X射线激发下的光电性能

由于微米线对X射线具有较大的吸收系数，使得器件在X射线激发下具有较高的光电转换效率。从图4b可以看出，器件的光电流随X射线剂量率增加而增加，在20 V偏压下灵敏度高达5.9×10⁵μC Gy_air^-1cm^-2。此外，即使在30 nGy_air^-1s^-1的剂量率下，器件的光暗电流依然具有明显的可区分性，经计算可得器件的检测极限为67.4 nGy_airs^-1，低于目前常规医学诊断所需的5.5 μGy_airs^-1，表明该器件在降低X射线损伤风险方面具有较大潜力。通过与已报道的X射线探测器进行对比，该器件在灵敏度和探测极限等方面均具有明显的优势。此外，该器件在高温环境下仍然具有较高的稳定性，即使在200 ℃的高温下器件的光暗电流比依然超过1个数量级，表明器件具有在极端环境下稳定运行的潜力。

图5. Ga₂O₃:In微米线X射线探测系统

最后，将该单根微米线探测器集成到X射线探测系统中，可以通过手机端实时接收来自探测器对周围环境X射线的检测结果，能够避免X射线泄露对人体的危害。由于Ga₂O₃:In微米线光电探测器具有较高的光谱选择性，使该探测系统能够避免来自环境光的干扰，减弱了常规X射线探测器对封装材料的依赖性。

本论文通过材料合成、实验探究和理论验证，制备了具有高灵敏度和低虚警率的柔性X射线探测器，实现了在环境光下对X射线的实时监测与预警。该研究为开发柔性、轻便、低虚警率的X射线探测系统提供了可行方案。

附柔性电子器件与智造研究所及论文作者简介：

柔性电子器件与智造研究所依托北京理工大学集成电路与电子学院、柔性电子校级平台和损伤器官重构与再造重点实验室，瞄准国际科技前沿与国家重大需求，围绕柔性电子器件与系统，从半导体材料合成、工艺开发、设备研制、系统研制等方面开展系统的前沿基础与应用研究。通过微电子、光电子、量子信息、力学、仿生、医疗等多学科领域深度交叉，面向柔性薄膜晶体管与应用、柔性光电器件与视觉芯片、柔性感知与智能机器人、仿生传感器与健康医疗、柔性多功能集成系统的设计与应用等多个方面，努力打造国际一流、独具特色的柔性智能电子研发与智造平台。研究所目前已经形成了由国家级领军人才为带头人，国家级青年人才等为骨干的学术队伍。研究所多项科研成果在Nature/Science子刊等国际重要学术期刊上发表，并多次被Nature子刊、中央电视台等学术与新闻媒体关注和报道。

李营，北京理工大学预聘副教授，博士生导师。主要研究方向为基于金属卤化物和氧化物的光电探测器及仿生视觉传感器研究。以第一/通讯作者在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Light Sci. Appl. 等期刊发表论文20余篇，论文总引用2000余次，ESI高被引论文3篇。

沈国震，北京理工大学集成电路与电子学院特聘教授、博士生导师，柔性电子器件与智造研究所所长，国家级领军人才。长期从事低维半导体材料及相关柔性电子器件的研究。以第一完成人身份获北京市科学技术二等奖、中国材料研究学会科学技术一等奖等。现任英国皇家化学会会士、中国材料研究学会理事。发表SCI收录论文300余篇，获引用超过3万，H-index为97。

成果介绍

X射线探测技术在医学、工业、安全和科学研究等方面具有巨大的应用潜力，其中，柔性X射线探测器能够与非平面或复杂结构集成，并可贴合待测物体、移动介质的形状，从而提高辐射检测的准确性。然而，目前基于半导体的直接型X射线探测器往往具有体积大、易碎、易受环境光干扰等缺点，阻碍了它们在柔性可穿戴电子器件领域中的应用。另外，目前所报道的柔性X射线探测器往往依赖于封装材料（如轻金属和塑料）来降低虚警率，不利于器件向小型化、集成化反向发展。

鉴于此，本文报道了一种基于铟掺杂氧化镓（Ga₂O₃:In）单根微米线的柔性日盲X射线探测器。得益于Ga₂O₃:In微米线较高的晶体质量、宽带隙特征和较高的X射线吸收系数，所制备的Ag/Ga₂O₃:In/Ag探测器具有5.9×10⁵μC Gy_air^-1cm^-2的超高灵敏度、67.4 nGy_airs^-1的检测极限和低虚警率。另外，柔性器件在200 ℃的高温下依然可以正常工作，具有优异的工作稳定性和高温稳定。最后，将该器件集成到便携式X射线探测系统中，能够实时监测环境光中的X射线，预防X射线泄露所带来的危害，并可以将监测结果显示在用户的手机界面。

图文导读

图1. Ga₂O₃:In的第一性原理计算

首先，本文通过第一性原理计算探究了材料的结构和电学特性。理论计算表明，通过控制In元素的掺杂含量可以形成两种稳定的结构，即InGa₇O₁₂-3和In₂Ga₆O₁₂-4，根据这两种结构的电子局域函数（ELFs）可以发现掺杂的In原子与周围的O原子形成了较强的共价键，表明结构具有较高的稳定性。另外，通过计算两种结构的能带结构可以发现，随着In原子掺杂含量的增加，其s轨道影响了InGa₇O₁₂-x结构的导带组成，导致材料的带隙减小，这与实验结果（4.57 eV）相吻合。

图2. Ga₂O₃:In微米线的材料表征

其次，本文对合成的Ga₂O₃:In微米线进行了材料表征。从图2a可以看出，微米线的直径大约为10微米，并且具有光滑的表面。拉曼和拉曼mapping测试表明该微米线具有均匀的晶体质量。通过测试材料的EDS发现In元素的占比为2.73%，且In、Ga、O三种元素均匀分布在微米线中。TEM的表征结果证明了微米线为单晶结构，且具有较高的结晶质量。此外，通过热重分析和分子动力学模拟等手段证明了Ga₂O₃:In微米线具有较高的热稳定性，即使在800 ℃高温下材料依然具有稳定的晶体结构，表明该材料具有在极端环境下工作的潜力。

图3. Ga₂O₃:In微米线光电探测器在本征日盲光激发下的光电性能

然后，作者通过机械剥离法将所制备的Ga₂O₃:In微米线转移到柔性衬底上，形成如图3a所示的MSM型光电探测器。器件在254 nm的日盲紫外光激发下，光电流随光强呈线性变化，光暗电流比超过7个数量级。此外，器件仅对日盲紫外光有响应，响应谱的截止边位于272 nm附近（<280 nm），日盲/可见抑制比超过两个数量级，表明该器件具有较好的光谱选择性，可以避免来自太阳辐射的干扰。器件的比探测率为2.0×10¹³Jones，表明器件具有弱光探测能力。器件的上升和下降时间分别为0.16和1.6 ms，具有较快的响应速度。此外，由于微米线低维特性，该柔性探测器在不同弯曲半径和弯曲次数下均表现出良好的稳定性。

图4. Ga₂O₃:In微米线光电探测器在X射线激发下的光电性能

由于微米线对X射线具有较大的吸收系数，使得器件在X射线激发下具有较高的光电转换效率。从图4b可以看出，器件的光电流随X射线剂量率增加而增加，在20 V偏压下灵敏度高达5.9×10⁵μC Gy_air^-1cm^-2。此外，即使在30 nGy_air^-1s^-1的剂量率下，器件的光暗电流依然具有明显的可区分性，经计算可得器件的检测极限为67.4 nGy_airs^-1，低于目前常规医学诊断所需的5.5 μGy_airs^-1，表明该器件在降低X射线损伤风险方面具有较大潜力。通过与已报道的X射线探测器进行对比，该器件在灵敏度和探测极限等方面均具有明显的优势。此外，该器件在高温环境下仍然具有较高的稳定性，即使在200 ℃的高温下器件的光暗电流比依然超过1个数量级，表明器件具有在极端环境下稳定运行的潜力。

图5. Ga₂O₃:In微米线X射线探测系统

最后，将该单根微米线探测器集成到X射线探测系统中，可以通过手机端实时接收来自探测器对周围环境X射线的检测结果，能够避免X射线泄露对人体的危害。由于Ga₂O₃:In微米线光电探测器具有较高的光谱选择性，使该探测系统能够避免来自环境光的干扰，减弱了常规X射线探测器对封装材料的依赖性。

本论文通过材料合成、实验探究和理论验证，制备了具有高灵敏度和低虚警率的柔性X射线探测器，实现了在环境光下对X射线的实时监测与预警。该研究为开发柔性、轻便、低虚警率的X射线探测系统提供了可行方案。

附柔性电子器件与智造研究所及论文作者简介：

柔性电子器件与智造研究所依托北京理工大学集成电路与电子学院、柔性电子校级平台和损伤器官重构与再造重点实验室，瞄准国际科技前沿与国家重大需求，围绕柔性电子器件与系统，从半导体材料合成、工艺开发、设备研制、系统研制等方面开展系统的前沿基础与应用研究。通过微电子、光电子、量子信息、力学、仿生、医疗等多学科领域深度交叉，面向柔性薄膜晶体管与应用、柔性光电器件与视觉芯片、柔性感知与智能机器人、仿生传感器与健康医疗、柔性多功能集成系统的设计与应用等多个方面，努力打造国际一流、独具特色的柔性智能电子研发与智造平台。研究所目前已经形成了由国家级领军人才为带头人，国家级青年人才等为骨干的学术队伍。研究所多项科研成果在Nature/Science子刊等国际重要学术期刊上发表，并多次被Nature子刊、中央电视台等学术与新闻媒体关注和报道。

李营，北京理工大学预聘副教授，博士生导师。主要研究方向为基于金属卤化物和氧化物的光电探测器及仿生视觉传感器研究。以第一/通讯作者在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Light Sci. Appl. 等期刊发表论文20余篇，论文总引用2000余次，ESI高被引论文3篇。

沈国震，北京理工大学集成电路与电子学院特聘教授、博士生导师，柔性电子器件与智造研究所所长，国家级领军人才。长期从事低维半导体材料及相关柔性电子器件的研究。以第一完成人身份获北京市科学技术二等奖、中国材料研究学会科学技术一等奖等。现任英国皇家化学会会士、中国材料研究学会理事。发表SCI收录论文300余篇，获引用超过3万，H-index为97。