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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)認知。

近期，浙江大學(xué)林時勝教授團隊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——由石墨烯、極性液體（如水）和硅片組成的“三明治”結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了自驅(qū)動的高靈敏度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)，靈敏度達到104.5微庫侖每戈瑞每平方厘米，響應(yīng)時間僅19毫秒。

圖丨林時勝（來源：林時勝）

研究團隊還通過引入高原子序數(shù)元素（如碘）進一步優(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)動探測器的標準。

（來源：AdvancedFunctionalMaterials）

這項技術(shù)的突破性意義體現(xiàn)在多個方面：

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）、光刻機以及X射線劑量標定等方面展現(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；更重要的是，這項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，林時勝教授是想法的提出者，并擔任通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來源：AdvancedFunctionalMaterials）

這項研究是林時勝帶領(lǐng)團隊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勝對半導(dǎo)體間發(fā)電器件的基礎(chǔ)研究，特別是動態(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，團隊將這一物理原理進一步拓展至水在半導(dǎo)體間流動發(fā)電的新體系。隨后，推動到光子運動與液體水分子運動作用，通過光激發(fā)調(diào)控水分子（兩個氫原子和一個氧原子）的定向翻轉(zhuǎn)運動，成功實現(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]到光刻機在EUV和軟X射線波段的應(yīng)用前景廣闊，研究團隊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，并最終成功實現(xiàn)了X射線的有效探測。

林時勝解釋說道：“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、天文學(xué)等領(lǐng)域的重大應(yīng)用價值，更因為這是一個極具挑戰(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。

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，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射線照射下的動態(tài)極化過程。當X射線激發(fā)硅表面產(chǎn)生光生載流子時，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。這種獨特的工作機制不僅實現(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）

在研究推進過程中，團隊面臨了諸多技術(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)備的選擇也耗費了大量精力。團隊曾咨詢多家設(shè)備廠商，并獲得通策集團捐贈的X射線設(shè)備，后來在浙江大學(xué)極端光學(xué)儀器國家重點實驗室的支持下，使用軟X射線設(shè)備進行測試，雖然取得一定進展但仍未達到預(yù)期。經(jīng)過深入討論，團隊創(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。

林時勝指出，水的獨特優(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，團隊最終在化學(xué)改性方面取得突破性進展。

基于詳盡的文獻調(diào)研和實驗驗證，研究團隊確信當前水基X射線探測器的性能已與NatureScience等頂級期刊報道的鈣鈦礦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，林時勝表示：“任何技術(shù)的工業(yè)化進程都必然經(jīng)歷市場應(yīng)用驅(qū)動的迭代升級過程，就像蘋果手機從初代到iPhone13的演進歷程。”

他堅信這項技術(shù)具備產(chǎn)業(yè)化潛力，但也同時指出,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。該團隊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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