水能夠檢測 X 射線？這一發現顛覆了常規 X 射線探測器主要依賴於硅、鍺或碲化鎘等固態半導體材料的傳統認知。
近期，浙江大學林時勝教授團隊成功研製出全球首款水基 X 射線探測器，並展現出優異的 X 射線檢測性能。其核心創新在於採用了創新的垂直層狀結構設計——由石墨烯、極性液體（如水）和硅片組成的“三明治”結構，實現了自驅動的高靈敏度 X 射線檢測。
在性能表現方面，該探測器在自驅動模式下展現出卓越的特性：暗電流極低（不超過 1.8 納安每平方釐米），對 X 射線劑量率具有良好的線性響應，靈敏度達到 104.5 微庫侖每戈瑞每平方釐米，響應時間僅 19 毫秒。
圖丨林時勝（來源：林時勝）
研究團隊還通過引入高原子序數元素（如碘）進一步優化了探測器性能，將靈敏度提升至 224 微庫侖每戈瑞每平方釐米。這一數值不僅超越了大多數自驅動 X 射線探測器的性能水平，甚至接近高性能鈣鈦礦自驅動探測器的標準。
圖丨同類探測器的性能指標（來源：Advanced Functional Materials）
這項技術的突破性意義體現在多個方面：
首先，在應用領域，它在醫療成像（特別是低劑量 X 射線檢測）、光刻機以及 X 射線劑量標定等方面展現出巨大潛力；其次，在產業化方面，該器件低於現有市場產品成本和製造工藝簡單的特點；更重要的是，這項研究不僅突破了固態材料的物理限制，還爲開發更高靈敏度、更低功耗的新一代探測器奠定了重要的科學基礎。
“現在，我們已經掌握了 X 射線設施、水基體系優化和表面處理等核心技術。這是該方向的第一篇論文，已經超越了大部分相同結構探測器的水平，證明了其良好的發展前景。”林時勝對 DeepTech 表示。
近日，相關論文以《高性能水基 X 射線探測器》（High Performance Water Based X-Ray Detector）爲題發表在 Advanced Functional Materials[1]。浙江大學博士生楊仁餘是第一作者，林時勝教授是想法的提出者，並擔任通訊作者。
圖丨相關論文（來源：Advanced Functional Materials）
這項研究是林時勝帶領團隊長期科研探索的延續性成果。追溯其研究歷程可以發現，早在 2022 年，他就創新性地提出了“水的半導體二極管”這一新型光電探測器概念。這一研究起源於林時勝對半導體間發電器件的基礎研究，特別是動態二極管的原創發明 [2]。後續在液態光電探測器方向持續發展，並與包括諾貝爾物理學獎得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）在內的教授合作了基於水凝膠的紫外光探測器 [3] 。
此外，在研究過程中，團隊將這一物理原理進一步拓展至水在半導體間流動發電的新體系。隨後，推動到光子運動與液體水分子運動作用，通過光激發調控水分子（兩個氫原子和一個氧原子）的定向翻轉運動，成功實現了液體光電電信號的產生。
圖丨 X 射線與物質的相互作用（來源：Advanced Functional Materials）
最初，這種脈衝電信號僅在可見光頻段被觀測到。考慮到光刻機在 EUV 和軟 X 射線波段的應用前景廣闊，研究團隊決定將其拓展到紫外、X 射線和中子射線探測領域，尤其是深紫外波段，並最終成功實現了 X 射線的有效探測。
林時勝解釋說道：“從最初的可見光探測研究開始，我們就一直在探索將其拓展至 X 射線探測的可能性。這不僅是由於 X 射線在光刻機、天文學等領域的重大應用價值，更因爲這是一個極具挑戰性的跨學科研究領域。”
圖丨器件的垂直結構以及器件測試與成像（來源：Advanced Functional Materials）
與傳統半導體 X 射線探測器相比，水基探測器展現出顯著的技術優勢。傳統探測器通常需要配備複雜的冷卻系統（如液氮冷卻裝置），這不僅增加了設備的整體重量，也大幅提高了製造成本。而水基探測器完全無需冷卻系統，極大簡化了設備結構設計。
在材料性能方面，傳統多晶碲鋅鎘材料不僅合成工藝複雜，而且內部缺陷較多，容易產生極化等不穩定現象。相比之下，水基探測器採用成熟的硅材料體系，有效規避了這些材料穩定性問題。值得注意的是，當前大多數高性能探測器都依賴於昂貴的特殊材料或複雜的製備工藝，而水基探測器在保持高探測靈敏度的同時，顯著降低了製造成本。
探測器的核心工作原理基於極性液體分子在 X 射線照射下的動態極化過程。當 X 射線激發硅表面產生光生載流子時，水分子在界面處發生翻轉極化，氫端朝向硅表面，氧端朝向石墨烯電極。
這一過程破壞了原有的電荷平衡，促使外電路產生電流。關閉 X 射線後，水分子迅速恢復到無序狀態，形成可重複觀測的瞬態極化電流、穩態極化電流和去極化電流。這種獨特的工作機制不僅實現了高效的 X 射線-電能轉換，還避免了傳統探測器中因載流子複合導致的性能衰減問題，展現出優異的穩定性。
圖丨 X 射線設備響應過程原理分析（來源：Advanced Functional Materials）
在研究推進過程中，團隊面臨了諸多技術挑戰。首要難題是水作爲 X 射線探測介質的可行性問題——此前從未有研究嘗試用水探測 X 射線，水的電子傳輸理論不確定性等。
其次，合適的 X 射線測試設備的選擇也耗費了大量精力。團隊曾諮詢多家設備廠商，並獲得通策集團捐贈的 X 射線設備，後來在浙江大學極端光學儀器國家重點實驗室的支持下，使用軟 X 射線設備進行測試，雖然取得一定進展但仍未達到預期。經過深入討論，團隊創新性地提出向水中添加 X 射線吸收微納粒子的解決方案。
林時勝指出，水的獨特優勢之一在於其優異的溶解性，這與傳統半導體材料難以兼容其他物質的特性形成鮮明對比。通過系統篩選多種材料，團隊最終在化學改性方面取得突破性進展。
基於詳盡的文獻調研和實驗驗證，研究團隊確信當前水基 X 射線探測器的性能已與 Nature、Science 等頂級期刊報道的鈣鈦礦 X 射線探測器最高水平接近。
談及該技術的產業化發展，林時勝表示：“任何技術的工業化進程都必然經歷市場應用驅動的迭代升級過程，就像蘋果手機從初代到 iPhone13 的演進歷程。”
他堅信這項技術具備產業化潛力，但也同時指出, 在技術升級過程中需要統籌考慮工程人才、資金投入、技術配套等關鍵要素的系統性匹配。該團隊期待未來與更多的跨領域學者開展合作，突破傳統的思維侷限，共同推動探測器技術的創新發展。
參考資料：
1.R. Yang et al. High Performance Water Based X-Ray Detector. Advanced Functional Materials. 2025, 2506015. https://doi.org/10.1002/adfm.202506015
2.S. Lin et al. A High Current Density Direct-Current Generator Based on a Moving van der Waals Schottky Diode. Advanced Materials 2018. https://doi.org/10.1002/adma.201804398
3.C. Liu et al. Hydrogel Based UV Photodetector Based on Polarization of
Free Water Molecules. Laser & Photonics Reviews 2024, 2400615. https://doi.org/10.1002/lpor.202400615
排版：劉雅坤
