郝震宇 閆潤(rùn)寶 謝振宇 李春

摘要 近年來鈣鈦礦材料由于具有合適的帶隙，并且?guī)犊烧{(diào)，吸收系數(shù)高，以及優(yōu)異的載流子運(yùn)輸性能等優(yōu)點(diǎn)，在X射線探測(cè)器領(lǐng)域得到了廣泛的研究。本文主要闡述X射線探測(cè)器的性能指標(biāo)和鈣鈦礦材料性質(zhì)的研究進(jìn)展，并對(duì)未來研究方向進(jìn)行展望。

【關(guān)鍵詞】平板 探測(cè)器 鈣鈦礦

1 鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)

“鈣鈦礦”一詞歸因于鈦酸鈣（CaTi03）的晶體結(jié)構(gòu)，使用AB03表示。鈣鈦礦材料具有光子吸收性強(qiáng)，能帶寬度可以調(diào)節(jié)，激子束縛能很小，載流子的壽命長(zhǎng)，擴(kuò)散距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，使其作為X光吸收材料在光電探測(cè)器方面有重大潛在應(yīng)用。

2 鈣鈦礦型探測(cè)器結(jié)構(gòu)

鈣鈦礦型探測(cè)器為直接式探測(cè)器，即鈣鈦礦直接把X Ray轉(zhuǎn)化為光電子，通過TFT背板逐行掃描的模式讀取電荷，通過外圍電路處理，輸出圖像。

3 鈣鈦礦探測(cè)器的性能研究

3.1 低劑量

X射線輻射，對(duì)人體有傷害，劑量大較容易造成癌變，醫(yī)療規(guī)定小于5.5μGyairs-1，實(shí)際要求越低越好，尤其在動(dòng)態(tài)拍攝中，持續(xù)照射，劑量要求更高。美國(guó)黃勁松團(tuán)隊(duì)Si基單晶鈣鈦礦材料最小劑量為0.036μGyairS-1。

3.2 高靈敏度

靈敏度是指單位X射線照射下產(chǎn)生的電子數(shù)，主要由四個(gè)因數(shù)決定：X射線吸收率，X射線轉(zhuǎn)換系數(shù)，填充系數(shù)和PIN光電轉(zhuǎn)換系數(shù)。要求材料低劑量下產(chǎn)生多電子，一般要求材料X射線吸收系數(shù)大，電子和空穴產(chǎn)生能低。電子與空穴的遷移壽命乘積較大，保證更多的電子可以遷移到電極上，效率提升。美國(guó)黃勁松團(tuán)隊(duì)制備的Si基鈣鈦礦材料，減少了漏流，提高了靈敏度，實(shí)驗(yàn)測(cè)試為2.1xl04μCGyair-1cm-2。

3.3 穩(wěn)定性

非晶硒探測(cè)器限制其廣泛使用的原因是溫度敏感，容易損壞，一般要求溫度不超過35℃，否則發(fā)生晶化或硒薄膜剝離，導(dǎo)致材料性能劣化。故材料的穩(wěn)定性尤為重要，唐江團(tuán)隊(duì)使用一步溶液法合成的單晶鈣鈦礦最高可以承受的溫度為430℃。

4 鈣鈦礦材料的研究進(jìn)展

4.1 X射線吸收系數(shù)

X射線照射在物質(zhì)表面上發(fā)生瑞利散射和透射，造成X射線的損失。要求X射線被吸收的越多越好，X射線吸收系數(shù)α代表射線束穿過材料被吸收的程度。α∝Z4/E3（Z代表原子序數(shù)，E代表X射線光子能），要求原子序數(shù)越大越好。

4.2 電子空穴產(chǎn)生能

電子，空穴產(chǎn)生能W±是決定x射線探測(cè)材料有效性產(chǎn)生載流子的一個(gè)重要參數(shù)。要求盡可能低，這樣每一個(gè)被吸收的x射線光子可以產(chǎn)生最大數(shù)目的電子.空穴對(duì)數(shù)。除a-Se外，W±不同程度線性依賴于材料禁帶寬度Eg，Klein規(guī)則認(rèn)為W±=1.43+2Eg，近似關(guān)系為3Eg。

4.3 電子與空穴的遷移率壽命乘積

直接式平板探測(cè)器的鈣鈦礦層產(chǎn)生的光電子和空穴越多傳輸?shù)绞占姌O處，效率越高，這樣就要求載流子在單位電場(chǎng)的遷移距離越遠(yuǎn)越好，一般載流子遷移率壽命乘積（μt）來標(biāo)示，其中μ代表載流子遷移速率，t代表載流子遷移壽命，唐江團(tuán)隊(duì)合成Cs2AgBiBr6μt為6.3x10-3cm2V-1，高于非晶硒μt的10-7cm2V-l。

4.4 漏電流

漏電流會(huì)影響探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍以及增加噪聲水平，從而降低了信噪比。PI材料具有較高的電阻（1O18Ωcm），可以作為空穴阻擋層。韓國(guó)三星團(tuán)隊(duì)使用兩步溶液法制備的鈣鈦礦探測(cè)器使用PI和禁帶寬度比較高的MAPbBr3作為空穴阻擋層，取得較好效果。唐江團(tuán)隊(duì)使用高電阻的Cs2AgBiBr6（電阻為109-1011Ωcm），在-1V偏轉(zhuǎn)電壓時(shí)，測(cè)得漏流為0.15nAcm'2。

4.5 表面缺陷

電荷勢(shì)井會(huì)捕獲載流子影響探測(cè)器的殘影性能，勢(shì)井主要由存在鈣鈦礦和電極界面，以及鈣鈦礦本身的晶界，一般通過優(yōu)化界面，或使用熔融和溶劑退火方法使晶粒長(zhǎng)大，也有通過表面鈍化的方法來降低缺陷減少漏流。黃勁松團(tuán)隊(duì)通過反相法制備單晶MAPbBr3，然后通過UV-O鈍化后，缺陷密度降低10倍至3x106-7xl07cm2V-1。

5 結(jié)論

鈣鈦礦材料具有合適的帶隙，并且?guī)犊烧{(diào)，較高的吸收系數(shù)，以及優(yōu)異的載流子運(yùn)輸性能等優(yōu)點(diǎn)。在鈣鈦礦探測(cè)器研究方面，通過單晶制備或是成分參雜，鈣鈦礦的靈敏度最高可以達(dá)到2.1xl04μ CGyair"cm。2，最小劑量為0.036μGyairS-1，漏流為0.15nAcm-2。并且在430℃保持性能穩(wěn)定使鈣鈦礦已經(jīng)基本達(dá)到了直接平板探測(cè)器光轉(zhuǎn)化層的要求。

未來鈣鈦礦探測(cè)器還是要求無鉛化，需要成分參雜來提供性能，同時(shí)也需要改進(jìn)方法進(jìn)行大面積單晶制備，關(guān)于表面缺陷方面，需要進(jìn)一步尋找新的處理方法，最終制備出無毒，大面積，性能優(yōu)良的鈣鈦礦平板探測(cè)器。

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