水能夠檢測X射線？這一發(fā)現(xiàn)顛覆了常規(guī)X射線探測器主要依賴于硅、鍺或碲化鎘等固態(tài)半導(dǎo)體材料的傳統(tǒng)認(rèn)知。
近期，浙江大學(xué)林時(shí)勝教授團(tuán)隊(duì)成功研制出全球首款水基X射線探測器，并展現(xiàn)出優(yōu)異的X射線檢測性能。其核心創(chuàng)新在于采用了創(chuàng)新的垂直層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——由石墨烯、極性液體（如水）和硅片組成的“三明治”結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了自驅(qū)動(dòng)的高靈敏度X射線檢測。
在性能表現(xiàn)方面，該探測器在自驅(qū)動(dòng)模式下展現(xiàn)出卓越的特性：暗電流極低（不超過1.8納安每平方厘米），對X射線劑量率具有良好的線性響應(yīng)，靈敏度達(dá)到104.5微庫侖每戈瑞每平方厘米，響應(yīng)時(shí)間僅19毫秒。
圖丨林時(shí)勝（來源：林時(shí)勝）
研究團(tuán)隊(duì)還通過引入高原子序數(shù)元素（如碘）進(jìn)一步優(yōu)化了探測器性能，將靈敏度提升至224微庫侖每戈瑞每平方厘米。這一數(shù)值不僅超越了大多數(shù)自驅(qū)動(dòng)X射線探測器的性能水平，甚至接近高性能鈣鈦礦自驅(qū)動(dòng)探測器的標(biāo)準(zhǔn)。
（來源：AdvancedFunctionalMaterials）
這項(xiàng)技術(shù)的突破性意義體現(xiàn)在多個(gè)方面：
首先，在應(yīng)用領(lǐng)域，它在醫(yī)療成像（特別是低劑量X射線檢測）、光刻機(jī)以及X射線劑量標(biāo)定等方面展現(xiàn)出巨大潛力；其次，在產(chǎn)業(yè)化方面，該器件低于現(xiàn)有市場產(chǎn)品成本和制造工藝簡單的特點(diǎn)；更重要的是，這項(xiàng)研究不僅突破了固態(tài)材料的物理限制，還為開發(fā)更高靈敏度、更低功耗的新一代探測器奠定了重要的科學(xué)基礎(chǔ)。
“現(xiàn)在，我們已經(jīng)掌握了X射線設(shè)施、水基體系優(yōu)化和表面處理等核心技術(shù)。這是該方向的第一篇論文，已經(jīng)超越了大部分相同結(jié)構(gòu)探測器的水平，證明了其良好的發(fā)展前景?！绷謺r(shí)勝對DeepTech表示。
近日，相關(guān)論文以《高性能水基X射線探測器》（HighPerformanceWaterBasedX-RayDetector）為題發(fā)表在AdvancedFunctionalMaterials[1]。浙江大學(xué)博士生楊仁余是第一作者，林時(shí)勝教授是想法的提出者，并擔(dān)任通訊作者。
圖丨相關(guān)論文（來源：AdvancedFunctionalMaterials）
這項(xiàng)研究是林時(shí)勝帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)長期科研探索的延續(xù)性成果。追溯其研究歷程可以發(fā)現(xiàn)，早在2022年，他就創(chuàng)新性地提出了“水的半導(dǎo)體二極管”這一新型光電探測器概念。這一研究起源于林時(shí)勝對半導(dǎo)體間發(fā)電器件的基礎(chǔ)研究，特別是動(dòng)態(tài)二極管的原創(chuàng)發(fā)明[2]。后續(xù)在液態(tài)光電探測器方向持續(xù)發(fā)展，并與包括諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫（KonstantinNovoselov）在內(nèi)的教授合作了基于水凝膠的紫外光探測器[3]。
此外，在研究過程中，團(tuán)隊(duì)將這一物理原理進(jìn)一步拓展至水在半導(dǎo)體間流動(dòng)發(fā)電的新體系。隨后，推動(dòng)到光子運(yùn)動(dòng)與液體水分子運(yùn)動(dòng)作用，通過光激發(fā)調(diào)控水分子（兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子）的定向翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，成功實(shí)現(xiàn)了液體光電電信號的產(chǎn)生。
（來源：AdvancedFunctionalMaterials）
最初，這種脈沖電信號僅在可見光頻段被觀測到?？紤]到光刻機(jī)在EUV和軟X射線波段的應(yīng)用前景廣闊，研究團(tuán)隊(duì)決定將其拓展到紫外、X射線和中子射線探測領(lǐng)域，尤其是深紫外波段，并最終成功實(shí)現(xiàn)了X射線的有效探測。
林時(shí)勝解釋說道：“從最初的可見光探測研究開始，我們就一直在探索將其拓展至X射線探測的可能性。這不僅是由于X射線在光刻機(jī)、天文學(xué)等領(lǐng)域的重大應(yīng)用價(jià)值，更因?yàn)檫@是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的跨學(xué)科研究領(lǐng)域?！?/p>
（來源：AdvancedFunctionalMaterials）
與傳統(tǒng)半導(dǎo)體X射線探測器相比，水基探測器展現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢。傳統(tǒng)探測器通常需要配備復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)（如液氮冷卻裝置），這不僅增加了設(shè)備的整體重量，也大幅提高了制造成本。而水基探測器完全無需冷卻系統(tǒng)，極大簡化了設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
在材料性能方面，傳統(tǒng)多晶碲鋅鎘材料不僅合成工藝復(fù)雜，而且內(nèi)部缺陷較多，容易產(chǎn)生極化等不穩(wěn)定現(xiàn)象。相比之下，水基探測器采用成熟的硅材料體系，有效規(guī)避了這些材料穩(wěn)定性問題。值得注意的是，當(dāng)前大多數(shù)高性能探測器都依賴于昂貴的特殊材料或復(fù)雜的制備工藝，而水基探測器在保持高探測靈敏度的同時(shí)，顯著降低了制造成本。
探測器的核心工作原理基于極性液體分子在X射線照射下的動(dòng)態(tài)極化過程。當(dāng)X射線激發(fā)硅表面產(chǎn)生光生載流子時(shí)，水分子在界面處發(fā)生翻轉(zhuǎn)極化，氫端朝向硅表面，氧端朝向石墨烯電極。
這一過程破壞了原有的電荷平衡，促使外電路產(chǎn)生電流。關(guān)閉X射線后，水分子迅速恢復(fù)到無序狀態(tài)，形成可重復(fù)觀測的瞬態(tài)極化電流、穩(wěn)態(tài)極化電流和去極化電流。這種獨(dú)特的工作機(jī)制不僅實(shí)現(xiàn)了高效的X射線-電能轉(zhuǎn)換，還避免了傳統(tǒng)探測器中因載流子復(fù)合導(dǎo)致的性能衰減問題，展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。
（來源：AdvancedFunctionalMaterials）
在研究推進(jìn)過程中，團(tuán)隊(duì)面臨了諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。首要難題是水作為X射線探測介質(zhì)的可行性問題——此前從未有研究嘗試用水探測X射線，水的電子傳輸理論不確定性等。
其次，合適的X射線測試設(shè)備的選擇也耗費(fèi)了大量精力。團(tuán)隊(duì)曾咨詢多家設(shè)備廠商，并獲得通策集團(tuán)捐贈(zèng)的X射線設(shè)備，后來在浙江大學(xué)極端光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持下，使用軟X射線設(shè)備進(jìn)行測試，雖然取得一定進(jìn)展但仍未達(dá)到預(yù)期。經(jīng)過深入討論，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出向水中添加X射線吸收微納粒子的解決方案。
林時(shí)勝指出，水的獨(dú)特優(yōu)勢之一在于其優(yōu)異的溶解性，這與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料難以兼容其他物質(zhì)的特性形成鮮明對比。通過系統(tǒng)篩選多種材料，團(tuán)隊(duì)最終在化學(xué)改性方面取得突破性進(jìn)展。
基于詳盡的文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)確信當(dāng)前水基X射線探測器的性能已與NatureScience等頂級期刊報(bào)道的鈣鈦礦X射線探測器最高水平接近。
談及該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，林時(shí)勝表示：“任何技術(shù)的工業(yè)化進(jìn)程都必然經(jīng)歷市場應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的迭代升級過程，就像蘋果手機(jī)從初代到iPhone13的演進(jìn)歷程?！?/p>
他堅(jiān)信這項(xiàng)技術(shù)具備產(chǎn)業(yè)化潛力，但也同時(shí)指出,在技術(shù)升級過程中需要統(tǒng)籌考慮工程人才、資金投入、技術(shù)配套等關(guān)鍵要素的系統(tǒng)性匹配。該團(tuán)隊(duì)期待未來與更多的跨領(lǐng)域?qū)W者開展合作，突破傳統(tǒng)的思維局限，共同推動(dòng)探測器技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。
參考資料：
1.R.Yangetal.HighPerformanceWaterBasedX-RayDetector.
AdvancedFunctionalMaterials
.2025,2506015.https://doi.org/10.1002/adfm.202506015
2.S.Linetal.AHighCurrentDensityDirect-CurrentGeneratorBasedonaMovingvanderWaalsSchottkyDiode.
AdvancedMaterials
2018.https://doi.org/10.1002/adma.201804398
3.C.Liuetal.HydrogelBasedUVPhotodetectorBasedonPolarizationof
FreeWaterMolecules.
Laser&PhotonicsReviews
2024,2400615.https://doi.org/10.1002/lpor.202400615
排版：劉雅坤
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