中国科学院大学光电学院孟祥悦教授团队在X射线单片CMOS成像传感芯片研发方面取得突破性成果。研究团队首次构建基于有序超分子卤化铋框架材料的单片集成X射线CMOS 成像传感器，相关原创成果以“Supramolecular bismuth halide frameworks for monolithic X-ray CMOS imagers”为题，发表于全球唯一聚焦芯片领域的权威国际期刊《Chip》。X射线成像技术广泛应用于医疗CT诊断、公共安全安检、工业无损检测等关键场景。传统商用X射线探测器件多采用含铅半导体材料，存在重金属毒性、环境兼容性差、器件稳定性不足等痛点；同时现有无铅卤化物半导体普遍存在薄膜结晶无序、缺陷密度高、载流子输运性能差等难题，难以与硅基CMOS读出电路（ROIC）实现单片一体化集成，极大限制了低剂量、高分辨率X射线成像芯片的实用化发展。
本工作提出一种超分子调控策略，可在卤化铋薄膜中实现前所未有的纳米级有序排布，推动器件性能与集成工艺取得突破性进展。通过设计有机阳离子3-氨基吡咯烷（APD2+），通过构筑定向 N–H···I氢键，实现零维卤化铋团簇自组装过程的精准调控。该超分子相互作用如同“分子黏合剂”，引导纳米团簇规整排布，构筑高取向准单晶骨架材料APDBiI5传统结晶过程遵循无序奥斯特瓦尔德熟化机制，而本工作实现纳米尺度下高度有序的取向附生生长，实现结晶机制的范式革新。借助可规模化喷涂成膜工艺，本研究首次制备出大面积（约 81cm²）、厚膜（约75μm）的准单晶卤化铋薄膜。高度有序的超分子骨架可构建周期性势场，进而实现布洛赫型相干电荷输运。该独特结构能够抑制声子散射、降低缺陷态密度，使这款无铅低维卤化物展现出前所未有的电学特性：空穴迁移率达15.8 cm² V⁻¹ s⁻¹（同期最高值），陷阱密度低至 4.01×10¹³ cm⁻³，迁移率-寿命积高达1.27×10⁻³ cm² V⁻¹。该结果证实，分子尺度结构修饰可在本征无序的零维材料体系中实现类能带相干输运。基于薄膜优异的结晶质量与电荷输运特性，研究团队在国际上首次完成无铅卤化物半导体与CMOS读出集成电路的单片一体化集成。该纳米结构调控异质结成像芯片具备超高X射线成像分辨率，可满足低剂量三维CT成像核心需求，成功打通溶液法纳米光电材料与高密度硅基电子芯片之间的集成应用壁垒。
图 X射线传感芯片架构和CT成像结果
该研究建立了超分子自组装通用型材料设计范式，打通分子化学、晶体工程与器件物理的学科交叉边界，为环境友好型、高性能单片式X射线CMOS成像芯片开发提供全新技术路线。成果为下一代低毒、高稳定、可规模化X射线成像探测器替代传统有毒半导体开辟了可行方案，在医疗低辐射影像、高端工业检测、智能安防等领域具备重要产业化价值。本研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院大学专项科研项目的联合支持。论文第一作者为国科大博士毕业生王煦，交叉学院博士研究生张世伟为共同第一作者；通讯作者为光电学院孟祥悦教授、浙江大学杨旸教授。
课题组网站：
https://www.x-mol.com/groups/MengXiangyue
论文信息：
Supramolecular bismuth halide frameworks for monolithic X-ray CMOS imagers
Xu Wang,1† Shiwei Zhang,1,3†Yamin Chang,1 Junfang Wang,1 Zengsheng Li,1 Yongle Pan,1 Lixia Wang, 1,3 Peng Ran,2 Yang (Michael) Yang,2* Xiangyue Meng1*
Chip 2026, DOI：10.1016/j.chip.2026.100214
