近日，我校材料学院介万奇和徐亚东教授团队与东京大学的Takao Someya教授等国内外团队合作，通过对4HCB的氰基（-CN）进行改性，开发出新型有机半导体辐射传感单晶材料4HPA；并结合DFT及蒙特卡罗模拟，揭示了4HPA单晶具有优异电子传输性能的结构机理；最后，通过溶液法制备了厘米尺寸高质量的4HPA单晶探测器，在国际上首次实现了基于生物兼容半导体的高能辐射实时能谱探测。

从坐一次飞机，过一次安检，拍一次X光片，到载人航天工程，电离辐射无处不在，它在改变我们生活的同时，也带来巨大的安全隐患。尤其是随着电离辐射在医学诊疗领域的广泛应用，开发新型实时、快响应、高分辨的可穿戴/可植入式的个人辐射剂量仪对于辐射安全监测与诊疗方案制订具有重要的意义。而传统的无机辐射探测器例如CdZnTe，Si及CsPbBr3等，存在着生物毒性以及高成本等问题。在过去的十年，尽管有机单晶半导体（例如：四羟基苯甲腈，4HCB），已被证明可以实现X射线、带电粒子以及快中子的直接探测。但相比于传统的无机半导体，4HCB探测器仍存在响应速率过慢的问题，尤其是在使用脉冲法进行能谱探测时，其探测时间长达数十分钟，严重限制了实时的辐射监测应用。

研究团队通过分子设计对4HCB的氰基（-CN）进行改性，使得该材料具有低生物毒性、优异的电子传输性能以及低成本等优点，这对开发新型便携式可穿戴/可植入型辐射个人剂量仪具有重要意义。

研究亮点一：通过将4HCB（HO-C₆H₄-CN）分子中具有生物毒性的-CN替换为乙酸基（-CH₂COOH），得到了四羟基苯乙酸（HO-C₆H₄-CH₂COOH，4HPA）单晶，其生物兼容性与碳材料类似，高压下的电子迁移速率接近优异的钙钛矿材料FACsPbBr₃。

研究亮点二：基于脉冲探测法，4HPA探测器可实现对高能粒子（²⁴¹Am 源）的实时能谱探测，能量分辨率高达36%，单次能谱采集时间可快至3 ms。

研究亮点三：基于积分电流法，4HPA探测器对40 kVp的X射线探测灵敏度高达16612 μC Gyabs^-1cm^-3，检测限低至20 nGy_airs^-1，其性能在690 Gy_air的X射线辐照后未表现出任何退化。

相关成果已发表在Nature Communications。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45089-2 

（来源：材料学院）