一、成果介绍：

直接型X射线探测器需兼具轻量化、低成本与高灵敏度特性，这对于下一代便携式成像设备、可穿戴监测系统及低剂量医学诊断至关重要。传统高性能探测器依赖厚单晶活性层提升灵敏度，但这不仅增加了器件体积、抬高了暗电流，还制约了与柔性可穿戴电子设备的集成。

近日，天津大学胡文平院士、孙玲杰副教授（共同通讯作者）通过将超薄高迁移率二维分子晶体（2DMC）与横向场效应晶体管结构相集成，突破了上述范式。该设计采用高度受限的面内载流子传输通道，结合强栅极静电调控，实现了完全载流子耗尽与亚皮安级暗电流。得益于超薄沟道中的高迁移率与高效电荷收集，该探测器实现了5.91 × 10¹⁰ µC Gy^-1 cm^-3的体积灵敏度纪录，检测限低至1.43 nGy s^-1，超越所有已报道的有机探测器，可与最先进的无机探测器比肩。重要的是，研究发现在超薄尺度下，材料迁移率对灵敏度的主导作用已超越原子序数，颠覆了传统设计逻辑。研究团队进一步制备了大面积均匀的二维分子晶体阵列，其运行稳定性优异，在低至10.17 nGy s^-1的剂量下仍可实现高对比度成像。这项研究为轻量化、低剂量有机X射线成像建立了新范式，并为下一代探测器引入了以迁移率为核心的设计准则。

图1 设计原理与范式突破性性能

图2 厚度依赖的暗电流特性与栅极耗尽效应

图3 迁移率主导衰减系数：关键性能决定因素

图4 大面积阵列制备与低剂量成像演示

二、结论与展望

研究提出了一种突破性的X射线探测设计策略，即在场效应晶体管结构中采用超薄、高迁移率的二维分子晶体。该方法成功解构了传统探测器中厚吸收层与高性能之间的必然联系，解决了长期困扰传统X射线探测器的灵敏度与暗电流之间的关键权衡问题。材料本征属性（超薄层的高电阻率、高载流子迁移率）与器件结构优势（高度限域的面内载流子传输路径、强大的栅极静电调控）的协同作用，实现了完全的载流子耗尽，从而获得了前所未有的低暗电流和噪声基底。基于此，制备的有机X射线探测器其关键性能指标——体积灵敏度高达5.91 × 10¹⁰ µC Gy^-1 cm^-3，探测限低至1.43 nGy s^-1——不仅刷新了有机材料的纪录，更跻身于所有X射线探测技术的前沿。通过系统研究，文章提炼出一个关键设计准则：在超薄尺度下，高载流子迁移率是比X射线吸收系数更关键的性能决定因素。最终，通过展示大面积、均匀的阵列及其优异的运行稳定性和令人瞩目的低剂量成像能力，将这一概念从单一器件验证推进到实用化技术阶段。这项工作为辐射探测领域树立了“轻量化超薄”与“高性能”集成的新范式，为开发下一代便携式、可穿戴及低成本X射线成像系统开辟了广阔前景，应用领域涵盖床旁医疗诊断、现场工业无损检测、智能安防及科学研究等。展望未来，后续研究将聚焦于开发新型有机半导体材料，使其既能引入重原子元素以增强X射线吸收，又能保持高载流子迁移率。这类材料有望进一步突破灵敏度极限，从而充分释放有机半导体在先进X射线探测应用中的全部潜力。

来源：低维 昂维公众号

DOI：10.1002/adma.202522929