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课题背景
1895年，德国物理学家威廉·康拉德·伦琴撰写了一篇题为《一种新型射线的初步报告》的论文，揭示了一种神秘的射线——X射线，这使得伦琴在1901年获得了第一个诺贝尔物理学奖。X射线的发现就像多米诺骨牌中第一张牌的坍塌，打破了原子是物质中最小粒子的过时观念，并引发了一系列对微观世界的重要发现（如电子和天然放射性）。在过去的129年里，研究人员发现X射线是一种电磁辐射（波长：10 pm-10 nm；光子能量：100 eV-10 MeV），并将X射线应用于医学诊断、航空航天、材料表征和工业无损检测（NDT）等许多领域。然而，传统的X射线探测器存在着分辨率低（闪烁体材料，如CsI）、灵敏度低（α-Se）、响应速度慢和检测限过高等缺点。因此，探索新的X射线感光材料并提出新的响应机理对提高X射线探测器的性能至关重要。目前，大多数关于新型高性能X射线探测器的研究都集中在高原子序数的材料（尤其是钙钛矿等材料）上，但其局限性如下：（1）化学不稳定性，钙钛矿材料容易与水和空气反应；辐照不稳定性，在X射线辐照下易于相分离；物理不稳定性，钙钛矿材料的低离解能导致其内部离子容易扩散并最终分解成各种相。（2）材料和器件制备过程中的重金属等有害元素可能对人体健康和环境造成严重危害。（3）与传统的硅基电子技术难以兼容，成本高，制备周期长，极大地限制了器件的大规模生产和应用。因此，开发制备简便、成本效益高、环境友好且易于硅基集成的高性能X射线探测器具有重要意义。
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研究内容
近日，浙江大学集成电路学院方文章研究员、徐杨教授团队与浙江大学高分子系高超教授团队合作，提出一种通过二维碳化钛MXene纳米膜与硅基衬底相结合的方案，从而制备得到高灵敏度、低探测极限、快速响应、高辐照稳定性的硅基二维异质集成X射线探测器。研究人员通过自主搭建X射线单像素成像系统并应用迭代收缩阈值算法（ISTA），最终得到清晰的X射线单像素成像结果。该工作以题为“High-Sensitive and Fast MXene/Silicon Photodetector for Single-Pixel X-Ray Imaging”发表于InfoMat（https://doi.org/10.1002/inf2.12596）。本文第一作者为浙江大学集成电路学院与高分子系交叉培养博士生陈彦策。该工作得到了国家自然科学基金、山西浙大新材料与化工研究院、国家重点研发计划、中央高校基本科研专项基金等相关经费和机构的资助与支持。
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课题亮点
该工作通过稀盐酸刻蚀及氟化锂插层的方式处理Ti3AlC2前驱体，获得高质量的单晶Ti3C2Tx纳米片，随后通过宏观组装的方法得到表面光滑平整的Ti3C2Tx MXene纳米膜，且像差校正透射电子显微镜图像证明了Ti3C2Tx MXene纳米膜与硅基衬底形成原子级贴合界面, 而该界面保证器件具备高效的电子-空穴传输通道。二维材料Ti3C2Tx MXene较低的电子-纵向光学声子耦合常数，使得其在X射线辐照下能形成大量极化子，从而有效地将极化电荷与晶格振动耦合。这些极化子有助于热电子在MXene中长时间地保留能量，并在热电子传输中发挥重要作用。该工作制备得到的高灵敏度X射线探测器最终利用单像素成像技术（SPI）获得了低X射线辐照剂量下的清晰图像，有望被应用于医学成像等领域。
