近日，光学高等研究中心/激光与红外系统集成技术教育部重点实验室赵显教授团队在铋基氧化物晶体上实现了超高灵敏度、超低暗电流及超低检测限的X射线探测性能，研究成果以“All three in one”: An excellent bismuth-based oxide hard X-ray detector unveiling ultra-high sensitivity, ultra-low dark current and ultra-low detection limit”为题，发表于国际学术期刊Materials Today上。激光与红外系统集成技术教育部重点实验室博士研究生樊梦迪和助理研究员武广达为论文共同第一作者，通讯作者为赵显教授、于法鹏教授、张国栋教授，山东大学激光与红外系统集成技术教育部重点实验室为第一通讯单位。
近年来，直接型X射线探测器凭借其响应速度快、结构简单以及高的空间与能量分辨率等优势，在工业检查、医学成像和科学研究等领域备受关注。然而，现有商用直接型探测器仍面临诸多难以克服的问题。例如，α-Se材料的X射线吸收能力较低，导致其灵敏度不足，且不适用于高能量X射线探测；CZT材料虽具备较高灵敏度，但难以获得高品质单晶。近年来，钙钛矿材料已成为X射线探测领域的研究热点，但性能优异的钙钛矿探测器多以Pb为主要成分，对生态环境及人体健康存在潜在危害。铋离子作为Pb的毗邻重元素，电子结构相似，被认为是有望替代Pb的环境友好型选择。然而，现阶段铋基钙钛矿探测器仍难以在高灵敏度和低检测限之间实现兼顾。此外，钙钛矿材料普遍存在长期稳定性不足的问题。
氧化物晶体具有热稳定性好、物理化学性质稳定、易获得大尺寸单晶等多项优点，基于以上优点，团队提出铋基氧化物晶体有望用于直接型X射线探测，并从中优选出了Bi12SiO20(BSO)晶体作为典例进行X射线探测性能的研究工作。研究发现BSO晶体具有大的X射线吸收系数、高的电阻率（2.5×1013Ω⋅cm）、大的载流子迁移率寿命积（7.5×10-3cm2⋅V-1）以及高的离子激活能，使得BSO探测器实现了超高的灵敏度（2.1×104μC⋅Gy-1⋅cm-2），性能可媲美当前报道的全无机铋基钙钛矿材料。同时，BSO探测器展现出极低的暗电流（0.85 nA/cm2@ 10000 V/cm）与超低的检测限（1.4 nGys-1），表明该晶体在硬X射线探测领域具有广阔的应用前景。本工作不仅开发出了一种性能优异的X射线探测晶体，也为在铋基氧化物晶体中探索高性能X射线探测器提供了重要指导意义。
该项研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.07.024
