【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)院大學(xué)光電學(xué)院教授孟祥悅團(tuán)隊在X射線單片CMOS成像傳感芯片研發(fā)方面取得突破性成果。研究團(tuán)隊首次構(gòu)建基于有序超分子鹵化鉍框架材料的單片集成X射線CMOS 成像傳感器，相關(guān)原創(chuàng)成果以“Supramolecular bismuth halide frameworks for monolithic X-ray CMOS imagers”為題，發(fā)表于全球唯一聚焦芯片領(lǐng)域的權(quán)威國際期刊Chip。X射線成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療CT診斷、公共安全安檢、工業(yè)無損檢測等關(guān)鍵場景。傳統(tǒng)商用X射線探測器件多采用含鉛半導(dǎo)體材料，存在重金屬毒性、環(huán)境兼容性差、器件穩(wěn)定性不足等痛點(diǎn)；同時現(xiàn)有無鉛鹵化物半導(dǎo)體普遍存在薄膜結(jié)晶無序、缺陷密度高、載流子輸運(yùn)性能差等難題，難以與硅基CMOS讀出電路(ROIC)實現(xiàn)單片一體化集成，極大限制了低劑量、高分辨率X射線成像芯片的實用化發(fā)展。
 

　　本工作提出一種超分子調(diào)控策略，可在鹵化鉍薄膜中實現(xiàn)前所未有的納米級有序排布，推動器件性能與集成工藝取得突破性進(jìn)展。通過設(shè)計有機(jī)陽離子3-氨基吡咯烷(APD2+)，通過構(gòu)筑定向 N–H···I氫鍵，實現(xiàn)零維鹵化鉍團(tuán)簇自組裝過程的精準(zhǔn)調(diào)控。該超分子相互作用如同“分子黏合劑”，引導(dǎo)納米團(tuán)簇規(guī)整排布，構(gòu)筑高取向準(zhǔn)單晶骨架材料APDBiI5傳統(tǒng)結(jié)晶過程遵循無序奧斯特瓦爾德熟化機(jī)制，而本工作實現(xiàn)納米尺度下高度有序的取向附生生長，實現(xiàn)結(jié)晶機(jī)制的范式革新。借助可規(guī)模化噴涂成膜工藝，本研究首次制備出大面積(約 81cm²)、厚膜(約75μm)的準(zhǔn)單晶鹵化鉍薄膜。高度有序的超分子骨架可構(gòu)建周期性勢場，進(jìn)而實現(xiàn)布洛赫型相干電荷輸運(yùn)。該獨(dú)特結(jié)構(gòu)能夠抑制聲子散射、降低缺陷態(tài)密度，使這款無鉛低維鹵化物展現(xiàn)出前所未有的電學(xué)特性：空穴遷移率達(dá)15.8 cm² V?¹ s?¹(同期最高值)，陷阱密度低至 4.01×10¹³ cm?³，遷移率-壽命積高達(dá)1.27×10?³ cm² V?¹。該結(jié)果證實，分子尺度結(jié)構(gòu)修飾可在本征無序的零維材料體系中實現(xiàn)類能帶相干輸運(yùn)。基于薄膜優(yōu)異的結(jié)晶質(zhì)量與電荷輸運(yùn)特性，研究團(tuán)隊在國際上首次完成無鉛鹵化物半導(dǎo)體與CMOS讀出集成電路的單片一體化集成。該納米結(jié)構(gòu)調(diào)控異質(zhì)結(jié)成像芯片具備超高X射線成像分辨率，可滿足低劑量三維CT成像核心需求，成功打通溶液法納米光電材料與高密度硅基電子芯片之間的集成應(yīng)用壁壘。
 

　　該研究建立了超分子自組裝通用型材料設(shè)計范式，打通分子化學(xué)、晶體工程與器件物理的學(xué)科交叉邊界，為環(huán)境友好型、高性能單片式X射線CMOS成像芯片開發(fā)提供全新技術(shù)路線。成果為下一代低毒、高穩(wěn)定、可規(guī)模化X射線成像探測器替代傳統(tǒng)有毒半導(dǎo)體開辟了可行方案，在醫(yī)療低輻射影像、高端工業(yè)檢測、智能安防等領(lǐng)域具備重要產(chǎn)業(yè)化價值。本研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中國科學(xué)院大學(xué)專項科研項目的聯(lián)合支持。論文第一作者為國科大博士畢業(yè)生王煦，交叉學(xué)院博士研究生張世偉為共同第一作者；通訊作者為光電學(xué)院教授孟祥悅、浙江大學(xué)教授楊旸。
 

　　引用：光電學(xué)院教授孟祥悅團(tuán)隊在X射線CMOS成像傳感芯片領(lǐng)域取得新進(jìn)展 中國科學(xué)院大學(xué) 【引用時間：2026年9月16日】