北大杨世和AOM：表面重结晶，提升钙钛矿X射线探测器成像均匀性与空间分辨率

Wiley

2026-01-07

研究背景

高分辨X射线成像在医学诊断、工业检测与安防筛查等领域具有重要应用价值。然而，现有平板探测器多依赖间接探测（如闪烁体+光电二极管），存在能量损失、光散射及统计噪声等问题，导致空间分辨率受限。基于直接光电转换的钙钛矿材料因其高X射线吸收系数、长载流子寿命和溶液可加工性而备受关注。但在大面积阵列器件中，钙钛矿厚膜往往面临晶粒尺寸不均、表面粗糙等问题，从而引发像素间响应不一致，严重影响成像质量和空间分辨率。

文章概述

针对这一瓶颈，北京大学深圳研究生院杨世和课题组近日以杨万顺为第一作者在《Advanced Optical Materials》报道了一种基于动力学调控的喷涂重结晶策略。该策略利用喷涂诱导的“表面溶解–流平–再结晶”过程，有效抑制了 Pb 富集相与表面微观起伏，将原本粗糙、富缺陷的 MAPbI₃ 薄膜转化为高均匀性、低陷阱密度的光电层。在此基础上，研究团队进一步将该钙钛矿层与氧化铟镓锌（IGZO）薄膜晶体管（TFT）背板进行集成，构建出钙钛矿基高分辨X射线平板探测器原型。该器件展现出优异的成像性能：整体固定模式噪声得到有效抑制，显著降低了背景非均匀干扰；像素间光响应一致性极高（PRNU降低至2.73%），保障了大面积成像的灰度均衡与对比稳定；输出图像具备清晰的结构边缘和良好的空间分辨率（4.29 lp/mm，折算为0.54 lp/pix），能够稳定还原复杂被测对象的细节信息。同时，器件灵敏度高达86150 μC Gy_air⁻¹ cm⁻²，整体性能超越商业化α-Se探测器。

该研究不仅揭示了像素间响应非均匀性对成像分辨率的关键限制作用，也展示了喷涂–重结晶方法在大面积器件制备与产业化中的广阔前景，为下一代医学与安防成像设备的开发提供了切实可行的技术路径。

图文导读

图 1. 动力学调控钙钛矿表面平滑的溶剂筛选与机理。(a) 基于喷涂的动力学调控表面平滑过程示意图，并给出原始薄膜与平滑后薄膜的 SEM 表面形貌图，比例尺为 10 µm。(b) DMSO 体系下的表面平滑动力学过程高速成像：(b-i) 连续快照展示了原始膜、液滴沉积、“壳层”形成及破裂过程，比例尺为 50 µm；(b-ii) 对应的“壳层”形成与破裂机理示意图，插图为液滴与钙钛矿表面的接触角。(c) GVL 改性体系下的表面平滑动力学过程高速成像：(c-i) 连续快照展示了原始膜、液滴扩展增强及自下而上的重结晶过程，比例尺为 50 µm；(c-ii) 对应的可控重结晶机理示意图，插图为液滴与钙钛矿表面的接触角。

图2. 表面平滑处理（ST）后钙钛矿薄膜均匀性与结晶性的验证。(a) 表面平滑处理示意图，采用优化的溶液（0.5 mol L⁻¹ MAPbI₃溶于DMSO:GVL = 2:1混合溶剂）。(b) 处理前（Control）与处理后（ST）MAPbI₃薄膜的AFM形貌图，标注了RMS粗糙度。比例尺：5 μm。(c) 基于SEM图像得到的像素级表面缺陷分布图（单像素面积126 × 126 μm²），绿色高亮区域代表微观起伏或残余中间相。比例尺：50 μm。(d) Control和ST薄膜与MAPbI₃粉末的XRD图谱，标注了主要衍射峰。(e) 放大XRD图谱，突出显示PbI₂的特征衍射峰（~12.7°）。

图3. 表面平滑处理后钙钛矿薄膜光学与电子性能的改善。(a) 钙钛矿薄膜的UV-Vis吸收光谱，插图为对应带隙拟合结果。(b) 钙钛矿薄膜的稳态光致发光（PL）光谱。(c) 钙钛矿薄膜的时间分辨光致发光（TRPL）光谱。(d) 对照样品的AFM表面电位分布图，红色和黑色三角分别标注晶界与中间相边缘位置。(e) 基于AFM I–V测试的像素级电流分布图（4 × 4像素阵列，每个像素区域为126 × 126 μm²）。

图4. 经表面平滑处理前后 MAPbI₃ X射线探测器的性能对比。(a) 器件结构示意图。(b) 钙钛矿器件的暗电流–电压特性。(c) 钙钛矿器件的空间电荷限制电流（SCLC）特性。(d) 在相同X射线剂量率下，于40 V mm⁻¹电场下的器件X射线响应。(e) 在1 V偏压下测试100 s后的离子迁移电流，随后移除偏压，并通过积分反向电流得到总离子电荷。(f) 器件在恒定40 V mm⁻¹偏压下的基线漂移。(g) ST器件在不同电场和X射线剂量率下的光电流响应。(h) 表面平滑处理前后探测器在不同电场下的灵敏度比较。(i) 表面平滑处理前后探测器的检测限比较。

图 5. 表面平滑处理后的X 射线探测器成像性能。(a) 平板探测器（FPD）的结构示意图，显示了钙钛矿层与 TFT 背板在玻璃基底上的集成。(b) 用于成像测试的集成芯片照片。(c) 对照组与 ST-FPD 的像素灰度强度分布直方图，并给出了相应的光响应不均匀性（PRNU）值。(d) ST-FPD 的调制传递函数（MTF）曲线，并与代表性的钙钛矿平板 X 射线探测器进行了对比 。深红色水平线表示 MTF = 0.2 阈值，每条曲线与该线的交点定义了空间分辨率。(e) ST-FPD 阵列中 10000 个像素在不同 X 射线剂量率下的信号采集结果，每个像素均独立获取数据（积分时间：200 ms）。像素强度以归一化灰度值表示。(f) ST-FPD 对生物样品和文具样品的 X 射线成像结果，包括鸭爪（上）和圆珠笔（下）。比例尺：1 cm。

期刊简介

Advanced Optical Materials是一个国际性的、跨学科的论坛，针对材料科学的同行评审论文，重点关注光-物质相互作用的各个方面。致力于光子学、等离子体、超材料等领域的突破性发现和基础研究。