近日，我校材料學(xué)院介萬(wàn)奇和徐亞?wèn)|教授團(tuán)隊(duì)與東京大學(xué)的Takao Someya教授等國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)對(duì)4HCB的氰基（-CN）進(jìn)行改性，開(kāi)發(fā)出新型有機(jī)半導(dǎo)體輻射傳感單晶材料4HPA；并結(jié)合DFT及蒙特卡羅模擬，揭示了4HPA單晶具有優(yōu)異電子傳輸性能的結(jié)構(gòu)機(jī)理；最后，通過(guò)溶液法制備了厘米尺寸高質(zhì)量的4HPA單晶探測(cè)器，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了基于生物兼容半導(dǎo)體的高能輻射實(shí)時(shí)能譜探測(cè)。
從坐一次飛機(jī)，過(guò)一次安檢，拍一次X光片，到載人航天工程，電離輻射無(wú)處不在，它在改變我們生活的同時(shí)，也帶來(lái)巨大的安全隱患。尤其是隨著電離輻射在醫(yī)學(xué)診療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，開(kāi)發(fā)新型實(shí)時(shí)、快響應(yīng)、高分辨的可穿戴/可植入式的個(gè)人輻射劑量?jī)x對(duì)于輻射安全監(jiān)測(cè)與診療方案制訂具有重要的意義。而傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)輻射探測(cè)器例如CdZnTe，Si及CsPbBr3等，存在著生物毒性以及高成本等問(wèn)題。在過(guò)去的十年，盡管有機(jī)單晶半導(dǎo)體（例如：四羥基苯甲腈，4HCB），已被證明可以實(shí)現(xiàn)X射線(xiàn)、帶電粒子以及快中子的直接探測(cè)。但相比于傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體，4HCB探測(cè)器仍存在響應(yīng)速率過(guò)慢的問(wèn)題，尤其是在使用脈沖法進(jìn)行能譜探測(cè)時(shí)，其探測(cè)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)十分鐘，嚴(yán)重限制了實(shí)時(shí)的輻射監(jiān)測(cè)應(yīng)用。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)分子設(shè)計(jì)對(duì)4HCB的氰基（-CN）進(jìn)行改性，使得該材料具有低生物毒性、優(yōu)異的電子傳輸性能以及低成本等優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)開(kāi)發(fā)新型便攜式可穿戴/可植入型輻射個(gè)人劑量?jī)x具有重要意義。
研究亮點(diǎn)一：通過(guò)將4HCB（HO-C6H4-CN）分子中具有生物毒性的-CN替換為乙酸基（-CH2COOH），得到了四羥基苯乙酸（HO-C6H4-CH2COOH，4HPA）單晶，其生物兼容性與碳材料類(lèi)似，高壓下的電子遷移速率接近優(yōu)異的鈣鈦礦材料FACsPbBr3。
研究亮點(diǎn)二：基于脈沖探測(cè)法，4HPA探測(cè)器可實(shí)現(xiàn)對(duì)高能粒子（241Am 源）的實(shí)時(shí)能譜探測(cè)，能量分辨率高達(dá)36%，單次能譜采集時(shí)間可快至3 ms。
研究亮點(diǎn)三：基于積分電流法，4HPA探測(cè)器對(duì)40 kVp的X射線(xiàn)探測(cè)靈敏度高達(dá)16612 μC Gyabs-1cm-3，檢測(cè)限低至20 nGyairs-1，其性能在690 Gyair的X射線(xiàn)輻照后未表現(xiàn)出任何退化。
相關(guān)成果已發(fā)表在Nature Communications。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45089-2
（來(lái)源：材料學(xué)院）
