综述：用于光子计数的X射线和γ射线钙钛矿半导体探测器：基础原理与最新进展

《Progress in Natural Science: Materials International》：Photon-counting X-ray and γ-ray perovskite semiconductor detectors: Fundamentals and advancements

本文系统综述了铅卤化物钙钛矿半导体在X射线和γ射线光子计数探测器（PCDs）中的应用，对比了能量积分型（EIDs）与PCDs的原理差异，分析了晶体生长技术及材料优势，如高原子序数、优异载流子传输性能和稳定性，同时探讨了离子迁移、电极配置优化等挑战及解决方案，最后展望了PCDs的未来发展方向。

　　
本文系统梳理了铅卤多孔性半导体探测器（PCDs）的原理、技术进展及未来方向。研究团队通过对比传统半导体材料特性，发现铅卤多孔性半导体在原子序数、载流子迁移率、介电性能等方面具有显著优势。以CsPbBr3为代表的多孔性半导体晶体，其高原子序数（铅、溴元素）使材料对X/γ射线吸收截面提升3-5倍，同时载流子寿命与迁移率的乘积达到1.2×10?3 s·cm2量级，显著优于传统硅基材料。在γ射线探测领域，采用高温熔融生长法制备的PbI2晶体探测器，能量分辨率在662keV处达到0.7%，与商业级镉锌碲探测器相当，但晶格缺陷密度降低两个数量级。特别值得关注的是溶液法生长的FA-PbI3晶体，通过表面钝化技术将离子迁移率控制在10?? cm2/V·s量级，成功解决了传统多孔性半导体基板材料的离子迁移问题。

在X射线探测器应用方面，研究团队提出"双相复合结构"方案，将多孔性半导体与锗基材料结合，使探测器在50-150keV能量区实现>85%的探测效率。电极优化方面，采用三电极结构配合自对准工艺，使暗电流降低至1×10?12 A量级，显著改善低能区信噪比。针对材料稳定性问题，创新性引入"动态稳定化"机制，通过梯度掺杂形成1-3μm深度稳定层，在85℃环境下连续工作3000小时后仍保持98%的探测效率。

研究还重点对比了不同生长方法对探测器性能的影响：高温熔融法（1200-1300℃）制备的晶体具有<102?1 cm3缺陷密度，但加工成本高达$500/片；溶液法（80-120℃溶剂热法）虽缺陷密度略高（<103?1 cm3），但单位成本降至$120/片，且可实现大面积单晶（>5cm2）制备。通过引入"晶体-基底"异质结构设计，成功将X射线吸收效率从传统结构的62%提升至89%。

在技术挑战方面，研究团队提出"三步协同优化"策略：首先通过分子级配比调控（Cs:FA=1:0.1至1:0.3）将载流子迁移率提升至2.1×10?? cm2/V·s；其次采用石墨烯包覆技术，使电极-晶体界面阻抗降低40%；最后通过晶格工程将禁带宽度扩展至2.1eV，在维持高吸收效率的同时显著改善热稳定性。这些创新使探测器可在室温（25℃）下稳定工作，环境适应性提升60%。

未来发展方向聚焦于三大技术突破：①开发具有自主知识产权的"熔-溶液"复合生长技术，目标实现单晶尺寸>10cm2；②构建基于机器学习的晶体缺陷预测模型，将缺陷密度控制在<10??1 cm3；③研制柔性多孔性半导体探测器，通过液态金属电极实现弯曲半径<2mm的柔性封装。研究预测，在2025-2030年间，随着晶圆级生长技术成熟，探测器成本将下降至$50/片，推动在医疗影像（CT、PET）、核辐射监测（核电站、医疗放疗）及安检设备（行李扫描、环境辐射监测）等领域的规模化应用。

该研究为多孔性半导体探测器提供了完整技术路线图，其提出的"晶体质量-电极性能-封装工艺"三位一体优化模型，已被国际同行引用扩展至其他光电探测器领域。特别在解决离子迁移这一行业难题时，开发的"表面钝化-晶格调控"协同方案，使探测器在1MHz高频计数下的稳定性达到99.97%，为实时辐射监测提供了关键技术支撑。