直接X射线探测和成像技术在国土安全、无损检测和医疗诊断等领域有着广泛的应用。目前，传统X射线探测材料（如a-Se、HgI2、CZT等）存在着高的制备成本、毒性、工作环境下退化的稳定性和可靠性等系列问题，严重的限制了X射线探测技术相关应用领域的产业发展。

物理科学与技术学院X射线探测材料与器件研究团队发挥模拟计算的导向性优势，大幅减少实验工作量，节约实验成本。从“理论模拟计算-实验验证-进一步优化”三个方面开展新型金属卤化物半导体材料与器件的结构设计开发。前期已导向性的设计、合成和优化了系列新型光伏材料，有效降低了材料的激子结合能、实现了电子耦合增强、载流子输运路径优化及结晶动力学合理化调控（Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2205029; Sci. Bull., 2022, 67. 1352-1361; Small 2022, 18, 2108090; Nano Energy 2022, 92, 106790）。

近期，团队针对传统金属卤化物材料对高毒性有机溶剂和重金属离子的高度依赖，发展了一种多氢键无金属卤化物（PAZE-NH4X3·H2O）材料。该材料具有低温溶液可加工特性、低陷阱密度、高μτ乘积和快速响应等物理特性优势，通过理论模拟，清晰地阐明了PAZE-NH4X3·H2O中的H2O导致了更多的氢键出现在有机分子和卤化物材料主体之间，并指出晶格硬度的提升能够有效增加材料的X射线辐射容忍度，并增加了扩散势垒，抑制了离子迁移。同时，该类宽带隙（>4 eV）材料还具有受环境光的影响小且表现出较低的噪声信号，相关器件也呈现出高的灵敏度（~3708 μC Gyair-1 cm-2）和低的X射线最低检测限（0.19 μGyair-1 s-1），这在基于像素化矩阵的高空间分辨率柔性成像领域展示出了巨大的应用潜力。相关成果以题“Metal-Free PAZE-NH4X3·H2O Perovskite for Flexible Transparent X-ray Detection and Imaging”发表在国际化学顶级期刊Angewandte Chemie International Edition（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, doi.org/10.1002/anie.202207198）。

图1. 理论模拟指导多氢键材料设计合成及器件柔性成像性能分析。

在此基础上，针对金属卤化物材料在电场或辐照作用下极易沿晶格发生迁移，导致较大的漏电流，使器件产生严重的基线漂移和较大的噪声等问题，团队通过理论模拟，设计了非对称金属卤化物薄膜，既保证了器件对X射线的有效吸收，又在界面处形成了梯度能级、晶格失配和导电率突变，促进了载流子的快速传输，阻断了缺陷和离子沿晶格传输的通道，最终器件表现出微小的基线漂移和较低探测极限（0.092 μGy/s）。相关成果以题“Asymmetric Metal Halide Film with Suppressed Leakage Current for High Sensitive X-ray Detection and Imaging”发表在国际微电子器件领域顶级期刊IEEE Electron Device Letters（IEEE Electron Device Lett. 2022, doi: 10.1109/LED.2022.3202173）。

图2. 理论计算不同结构离子迁移能及非对称薄膜结构X射线探测器性能。

此外，团队还应邀参与《Advanced X-Ray Radiation Detection: Medical Imaging and Industrial Applications》（Springer 出版）一书的编著工作，撰写了书籍第二章“Low-Dimensional Semiconductor Materials for X-Ray Detection”，系统总结了目前基于低维半导体材料作为X射线探测的可行性及优势所在，并围绕材料设计、器件结构优化和射线性能提升等方面，提出了自己的观点。

图3. 参与撰写X射线探测书籍的封面与目录。

上述研究得到了国家自然科学基金、兰州理论物理中心 (筹)、中央高校基金及兰州大学超算中心等资助。靳志文教授为论文通讯作者，兰州大学为论文第一单位。

论文1链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202207198

论文2链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9868781

书籍章节链接：https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-92989-3_2