中科院化学所郭云龙研究员等《Nat. Commun.》：一种基于空间纳米限域N型聚合物半导体的可拉伸超灵敏X射线探测器

2022-11-27 来源：高分子科技

近年来，对便携式和可植入式医疗监测设备日益增加的需求推动了下一代平板探测器的发展。超柔性、高皮肤共形性和优异空间分辨率、高灵敏的X射线探测器易于与弯曲物体、运动实体和内部生理系统集成，使人类生活更加便利和安全。尽管传统无机半导体（如无定形硅、硒等）和新开发的材料（如钙钛矿等）具有高的X光灵敏度，但上述材料难以实现类皮肤探测器件。因此，开发本征柔性和高灵敏的光电材料用于类皮肤X射线探测器具有重要意义。

聚合物具有可调节的分子结构、本征柔性、可溶液法加工和低成本等优势，已广泛用于制备柔性和可拉伸电子设备。然而，仅有少数p型可拉伸共轭聚合物被报道，如聚（3-己基噻吩）(P3HT)和吡咯并吡咯二酮(DPP)类聚合物半导体。目前可拉伸n型聚合物光电材料仍面临着诸多挑战，包括拉伸性和电子传输效率的平衡，稳定性的提高以及光辐射下灵敏度和响应速度的提升。

有鉴于此，近日，中国科学院化学研究所郭云龙研究员等报道了一种基于空间纳米限域N型聚合物半导体的可拉伸超灵敏X射线探测器。通过将非氯溶剂加工的共轭聚合物FIID-CF₃TVT与弹性体SEBS共混，并采用偏心旋涂 (OCSC)方法制备了具有高取向的纳米纤维结构和密集的互穿聚合物网络的空间纳米限域杂化半导体薄膜，显著提高了n型聚合物半导体的电子传输效率和稳定性，从而实现了对X射线的高灵敏探测。所制备的可拉伸n型杂化聚合物半导体表现出超高的X射线探测灵敏度（1.52 × 10⁴μC Gy_air^-1 cm^-2，是报道的X射线探测器最高值之一），超低的检测限（37.7 nGy_air s^-1，与目前报道的CH₃NH₃PbBr_3-xCl_x钙钛矿单晶的记录值相媲美），以及优异的机械稳定性（>25%应变下拉伸循环1000次）。此外，他们首次实现了在3.65 μGy s^-1 低剂量下(约为商业医用胸片X射线诊断剂量的1/12)基于聚合物的X射线成像，这将为开发高性能和低成本成像系统提供借鉴。文章以“Spatially nanoconfined N-type polymer semiconductors for stretchable ultrasensitive X-ray detection”为题发表在期刊Nature Communication上。该论文第一作者为博士研究生边洋爽，共同第一作者为刘凯博士，通讯作者为郭云龙研究员。该研究工作得到了中国科学院化学研究所刘云圻院士、上海大学李喜峰教授和深圳技术大学李佳教授等的大力支持以及受到科技部、基金委、中科院、北京魏桥国科等项目的资助。