近日，我校材料學院介萬奇和徐亞東教授團隊與東京大學的Takao Someya教授等國內外團隊合作，通過對4HCB的氰基（-CN）進行改性，開發出新型有機半導體輻射傳感單晶材料4HPA；并結合DFT及蒙特卡羅模擬，揭示了4HPA單晶具有優異電子傳輸性能的結構機理；最后，通過溶液法制備了厘米尺寸高質量的4HPA單晶探測器，在國際上首次實現了基于生物兼容半導體的高能輻射實時能譜探測。
從坐一次飛機，過一次安檢，拍一次X光片，到載人航天工程，電離輻射無處不在，它在改變我們生活的同時，也帶來巨大的安全隱患。尤其是隨著電離輻射在醫學診療領域的廣泛應用，開發新型實時、快響應、高分辨的可穿戴/可植入式的個人輻射劑量儀對于輻射安全監測與診療方案制訂具有重要的意義。而傳統的無機輻射探測器例如CdZnTe，Si及CsPbBr3等，存在著生物毒性以及高成本等問題。在過去的十年，盡管有機單晶半導體（例如：四羥基苯甲腈，4HCB），已被證明可以實現X射線、帶電粒子以及快中子的直接探測。但相比于傳統的無機半導體，4HCB探測器仍存在響應速率過慢的問題，尤其是在使用脈沖法進行能譜探測時，其探測時間長達數十分鐘，嚴重限制了實時的輻射監測應用。
研究團隊通過分子設計對4HCB的氰基（-CN）進行改性，使得該材料具有低生物毒性、優異的電子傳輸性能以及低成本等優點，這對開發新型便攜式可穿戴/可植入型輻射個人劑量儀具有重要意義。
研究亮點一：通過將4HCB（HO-C6H4-CN）分子中具有生物毒性的-CN替換為乙酸基（-CH2COOH），得到了四羥基苯乙酸（HO-C6H4-CH2COOH，4HPA）單晶，其生物兼容性與碳材料類似，高壓下的電子遷移速率接近優異的鈣鈦礦材料FACsPbBr3。
研究亮點二：基于脈沖探測法，4HPA探測器可實現對高能粒子（241Am 源）的實時能譜探測，能量分辨率高達36%，單次能譜采集時間可快至3 ms。
研究亮點三：基于積分電流法，4HPA探測器對40 kVp的X射線探測靈敏度高達16612 μC Gyabs-1cm-3，檢測限低至20 nGyairs-1，其性能在690 Gyair的X射線輻照后未表現出任何退化。
相關成果已發表在Nature Communications。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45089-2
（來源：材料學院）
