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中科院化學所郭云龍研究員等《Nat. Commun.》：一種基于空間納米限域N型聚合物半導體的可拉伸超靈敏X射線探測器

2022-11-27 來源：高分子科技

近年來，對便攜式和可植入式醫療監測設備日益增加的需求推動了下一代平板探測器的發展。超柔性、高皮膚共形性和優異空間分辨率、高靈敏的X射線探測器易于與彎曲物體、運動實體和內部生理系統集成，使人類生活更加便利和安全。盡管傳統無機半導體（如無定形硅、硒等）和新開發的材料（如鈣鈦礦等）具有高的X光靈敏度，但上述材料難以實現類皮膚探測器件。因此，開發本征柔性和高靈敏的光電材料用于類皮膚X射線探測器具有重要意義。

聚合物具有可調節的分子結構、本征柔性、可溶液法加工和低成本等優勢，已廣泛用于制備柔性和可拉伸電子設備。然而，僅有少數p型可拉伸共軛聚合物被報道，如聚（3-己基噻吩）(P3HT)和吡咯并吡咯二酮(DPP)類聚合物半導體。目前可拉伸n型聚合物光電材料仍面臨著諸多挑戰，包括拉伸性和電子傳輸效率的平衡，穩定性的提高以及光輻射下靈敏度和響應速度的提升。

有鑒于此，近日，中國科學院化學研究所郭云龍研究員等報道了一種基于空間納米限域N型聚合物半導體的可拉伸超靈敏X射線探測器。通過將非氯溶劑加工的共軛聚合物FIID-CF₃TVT與彈性體SEBS共混，并采用偏心旋涂 (OCSC)方法制備了具有高取向的納米纖維結構和密集的互穿聚合物網絡的空間納米限域雜化半導體薄膜，顯著提高了n型聚合物半導體的電子傳輸效率和穩定性，從而實現了對X射線的高靈敏探測。所制備的可拉伸n型雜化聚合物半導體表現出超高的X射線探測靈敏度（1.52 × 10⁴μC Gy_air^-1 cm^-2，是報道的X射線探測器最高值之一），超低的檢測限（37.7 nGy_air s^-1，與目前報道的CH₃NH₃PbBr_3-xCl_x鈣鈦礦單晶的記錄值相媲美），以及優異的機械穩定性（>25%應變下拉伸循環1000次）。此外，他們首次實現了在3.65 μGy s^-1 低劑量下(約為商業醫用胸片X射線診斷劑量的1/12)基于聚合物的X射線成像，這將為開發高性能和低成本成像系統提供借鑒。文章以“Spatially nanoconfined N-type polymer semiconductors for stretchable ultrasensitive X-ray detection”為題發表在期刊Nature Communication上。該論文第一作者為博士研究生邊洋爽，共同第一作者為劉凱博士，通訊作者為郭云龍研究員。該研究工作得到了中國科學院化學研究所劉云圻院士、上海大學李喜峰教授和深圳技術大學李佳教授等的大力支持以及受到科技部、基金委、中科院、北京魏橋國科等項目的資助。