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近日，禁忌书屋 光电功能材料器件与物理团队在《Advanced Functional Materials》上发表了一项突破性研究成果“Ultrawide-Bandgap Rb2AgI3 Single-Crystals: Dual-Functional Platform for Polarization-Sensitive UVB Photodetection and High-Sensitivity X-Ray Imaging”，，论文一作为翟亚林博士，指导导师为施大宁教授和姜明明研究员。该团队通过自主设计的化学气相沉积（CVD）方法，成功合成了高质量的超宽带隙Rb2AgI3钙钛矿单晶，并基于此研制出一种同时具备偏振敏感UVB光探测与高灵敏度X射线成像能力的双功能探测器。这一成果为无铅、超宽带隙半导体材料在多功能光电器件领域的应用开辟了新路径。

研究背景与需求牵引

高能光子探测涵盖紫外至X射线的宽广能谱范围，在空间探索、医学诊断、科学研究及安全监测等领域具有不可替代的战略地位。然而，当前商用的高能光子探测材料体系，无论是窄带隙半导体（如Si、α-Se）还是传统宽带隙半导体（如Ga2O3、金刚石、BN），均存在显著的物理瓶颈。窄带隙材料受限于过高的暗电流、可见光串扰以及对高能X射线本征衰减系数不足等问题；而传统宽带隙材料则面临p型掺杂困难、载流子收集效率低下以及在极端环境下性能退化等系统性挑战。更为关键的是，偏振敏感紫外探测与高能X射线成像在物理机制上对材料提出了近乎矛盾的要求，前者需要显著的结构各向异性与带边跃迁的偏振选择性，后者则要求高原子序数组成与大体积单晶以确保X射线 stopping power 和载流子输运效率。在单一材料平台上同时实现上述两种功能，长期以来构成凝聚态物理与器件工程交汇处的一个深层难题，其突破不仅依赖于材料体系本身的创新，更需要对电子能带结构、晶格对称性与载流子动力学之间耦合关系的深刻理解与协同调控。

近年来，金属卤化物钙钛矿以其优异的光电特性（比如高吸收系数、可调带隙、高载流子迁移率-寿命乘积），成为高能光子探测领域的研究热点。其中，铅基钙钛矿在X射线探测中已展示出卓越的灵敏度，但其毒性和环境不稳定性严重制约了实际应用。这一困境催生了无铅钙钛矿的快速发展，但现有无铅体系（如Cs2AgBiBr6、Cs3Bi2I9、CsAg2I3等）普遍面临带隙过窄（<3.0 eV）导致可见光干扰、结晶质量不足引起载流子复合加剧、或结构各向异性缺失致使偏振探测能力受限等核心短板。特别是，绝大多数已报道的偏振敏感探测器均基于单一功能设计，偏振紫外探测或X射线探测分立实现，而缺乏在同一器件中整合两种功能并发挥协同效应的成功范例。此外，基于溶液法的单晶生长策略虽然成本低廉，但难以规避离子迁移、缺陷态密度高和长期稳定性差等共性问题。因此，在无铅、宽带隙、高稳定性钙钛矿体系中实现高质量的晶体生长，并在此基础上同时解锁偏振紫外探测与高灵敏X射线探测的双重功能，既是材料科学的前沿挑战，也是光电器件走向集成的迫切需求。

成果介绍：单晶平台实现“一材双能”

本工作通过定制化化学气相沉积（CVD）方法，成功合成了高质量、准二维层状结构的Rb2AgI3单晶，系统探究了该材料在偏振敏感UVB探测与高灵敏X射线成像双功能平台中的应用潜力。该材料展现出超宽禁带（~4.03 eV）、高结晶质量、显著的层状结构面内各向异性以及由高原子序数（Rb, Ag, I）赋予的优异X射线衰减能力。基于Rb2AgI单晶的光电导型探测器在UVB波段实现了0.29 A/W的响应度、1.63×10¹³ Jones的比探测率以及42.4/54 μs的快速响应时间。尤为重要的是，该器件首次在全无机钙钛矿体系中实现了波长切换的偏振响应反转现象，在295 nm光照下偏振度（DLP）为−0.68，在305 nm处反转至+0.72。这一前所未有的偏振反转行为被成功应用于双波长信息编码与卷积神经网络辅助的图像对比度增强，识别准确率超过97%。与此同时，凭借Rb2AgI3中重原子对高能光子的高效吸收与优异的载流子输运特性，该器件在X射线探测模式下展现出5.3×104μC Gy-1 cm-2的超高灵敏度、27 nGy s-1的超低检测限（约为医疗成像剂量的1/200）以及157 fA cm-1 s-1 V-1的低暗电流漂移，并成功实现了高分辨率生物样品（鱼、蟹）X射线成像。此外，该器件在无封装条件下表现出优异的长期环境稳定性与辐射稳定性，综合性能超越了绝大多数已报道的钙钛矿基X射线探测器。本工作首次在同一材料体系中实现了深紫外偏振探测与高能辐射传感的深度融合，突破了传统半导体材料功能单一、铅基钙钛矿毒性高、稳定性差以及窄带隙材料信噪比受限等长期瓶颈，为开发下一代无毒、超宽禁带、多功能光电器件开辟了全新的材料平台与物理机制路径。

主要的创新性研究成果

1. 高质量Rb2AgI3单晶的可控生长及其优异的光电物性：通过化学气相沉积（CVD）法成功开发出一种无铅全无机Rb2AgI3单晶，突破了溶液法生长的局限。该晶体具有约4.03 eV的超宽带隙、类层状各向异性结构以及重原子组成，赋予其优异的环境稳定性、高结晶度和高效的电荷输运特性，是面向高能光子探测的理想材料体系。

2. 创纪录的UVB光电探测性能：所制备的光电探测器在UVB光谱区表现出卓越性能。在305 nm光照下，器件实现了0.29 A/W的响应度、1.63×10¹³ Jones的比探测率以及42.4/54 μs的超快响应速度。尤为关键的是，器件在8000秒连续工作中保持优异的操作稳定性，且无需任何封装即可在空气中稳定存放超过三个月。Rb2AgI3基探测器的综合性能超越了大多数已报道的钙钛矿基探测器以及众多传统半导体紫外探测器。

3. 具有反转行为的偏振敏感探测：利用材料本征的结构各向异性，首次在全无机钙钛矿体系中实现了具有独特偏振反转特性的偏振敏感光电探测器，具体表现为在295 nm和305 nm处线偏振度分别为−0.68和0.72。进一步，我们展示了其在双波长信息识别与图像增强方面的应用潜力，基于偏振增强图像训练的卷积神经网络模型达到了超过97%的分类准确率。

4. 高灵敏X射线探测与高分辨成像：该Rb2AgI3器件架构同时实现了高灵敏的X射线探测，器件的灵敏度高达5.3×104μC Gyair-1cm-2，以及低至27 nGyₐᵢᵣ s⁻¹的超低检测限，约为典型医学成像剂量的1/200。同时，器件表现出极低的漂移电流（157 fA cm-1 s-1 V-1）和高分辨成像能力，能够清晰分辨生物样品中的精细解剖结构，在多个性能指标上超越了众多钙钛矿基X射线探测器。

图1 Rb2AgI3样品的理论分析、合成与表征。a) 通过CVD方案制备Rb2AgI3样品的示意图。插图为对应的光学显微照片。b) Rb2AgI3的扫描电子显微图像及相应的能谱面分布图。c) 带状Rb2AgI3单晶的原子力显微图像，其厚度约为1.5 μm。d) Rb2AgI3的能带结构分析。e) Rb2AgI3的分波态密度计算结果。f) 对比总结了CVD法合成的Rb2AgI3单晶及其他代表性材料的吸收系数。g) 多功能应用的概念示意图。h) Rb₂AgI₃的原子结构模型。

图2 CVD法合成的Rb2AgI3单晶的光学表征。a) 吸收光谱，插图为对应的Tauc图；b) Rb2AgI3单晶的光致发光激发（PLE）和光致发光（PL）光谱；c) Rb2AgI3的PL衰减寿命曲线；d、e) Rb2AgI3单晶的角分辨拉曼光谱等高线彩图；f) 位于110 cm-1的拉曼峰归一化强度及其拟合曲线的极坐标图；g) 激发功率依赖的二次谐波产生（SHG）信号光谱；h) 激发功率依赖的SHG强度线性拟合；i) 平行和垂直配置下角度分辨的偏振SHG强度。

图3 所制备Rb2AgI3单晶基器件的光电响应性能。a) 在10 V偏压条件下器件的噪声电流。b) 在暗态和恒定光功率密度下测得的波长相关I-V特性曲线。c) 不同波长下的光电流值。d) 光电流（Iₚₕ）和响应度（R）随入射光功率密度的变化曲线。e) 噪声等效功率（NEP）和比探测率（D*）随频率的变化关系。f) 归一化光响应随调制频率的变化，以及在斩波频率为4.8 kHz时测得的器件响应速度。

图4 所制备的Rb2AgI3单晶光电探测器的偏振反转光电探测性能。a) 偏振依赖吸收光谱的二维等值线图。b) Rb2AgI3单晶的吸收光谱及αb/αa吸收比值的对比。c) 沿a轴和b轴的跃迁偶极矩（TDM）分布。d) 295 nm和e) 305 nm入射光下，基于Rb2AgI3光电探测器的偏振光开关响应。f) 295 nm和g) 305 nm偏振激光在10 V偏压下的光电流极坐标图。h) UVB光谱范围内波长相关的线偏振度（DLP）值计算。

图5 偏振反转在信息识别与图像增强中的应用。a) 成像系统示意图。b) 不同波长下的单像素成像结果。c) 不同偏振角度下获取的成像结果。d) 非偏振光照下305 nm与295 nm对应的光电流比值。e) 偏振光照下305 nm与295 nm对应的光电流比值。f) 基于探测器常规光电流响应的305 nm和295 nm虚拟成像。g) 基于探测器偏振反转光电流响应的305 nm和295 nm虚拟成像。h) 用于图像分类的卷积神经网络（CNN）架构。i) 基于CNN对“EMNIST”数据集中手写字母图像的识别准确率曲线。

图6 基于Rb2AgI3单晶（SC）探测器的X射线光电探测性能。a) X射线成像实验装置示意图。b) 基于Rb2AgI3单晶探测器对活体生物（蟹）的X射线成像图。X射线管工作电压为50 kV，剂量率为400 μGyair·s-1，曝光时间500 ms，总空气吸收剂量为200 μGyair。c) 1D Rb2AgI3探测器的暗电流漂移曲线。d) 在50 kV条件下、不同剂量率下的电流密度-电压（J-V）特性曲线。e) 器件电流随剂量率变化的响应曲线。f) 光电流与剂量率的线性拟合曲线。g) 不同剂量率下的信噪比（SNR），用于检测限（LoD）计算。h) 部分代表性钙钛矿基X射线探测器的灵敏度与检测限性能汇总对比。

总结：定义多功能光电器件新前沿

该研究通过单一材料平台同时解决了偏振分辨紫外探测和高能辐射传感两大难题，所合成的Rb2AgI3单晶兼具超宽带隙、高X射线衰减能力和显著的结构各向异性。该工作不仅引入了一种全新的银基钙钛矿材料平台，更重新定义了无铅、宽带隙半导体在下一代高能光子探测、偏振光学和放射成像领域的潜力。这种“一材双能”的设计策略为未来多功能光电器件的小型化和集成化发展提供了全新思路。

文章信息

Yalin Zhai, Xiao Zhao, Chengyu Luan, Songling Feng, Haijiao Xie, Peng Wan, Caixia Kan, Daining Shi, Mingming Jiang*, Ultrawide-Bandgap Rb2AgI3 Single-Crystals: Dual-Functional Platform for Polarization-Sensitive UVB Photodetection and High-Sensitivity X-Ray Imaging, Advanced Functional Materials, 2026, e75605

DOI：10.1002/adfm.2025075605

文章链接：//doi.org/10.1002/adfm.75605