有机金属卤化物闪烁体在X射线成像领域的研究正朝着高分辨率、极端环境适配的方向快速演进，而闪烁体作为成像系统的“光子引擎”，其性能瓶颈日益凸显。如何打破材料本征属性之间的“跷跷板”困局，实现多项性能指标的协同优化，是该领域研究的重点，针对上述问题，近期居佃兴副教授分别与李慧芳教授、陈德宏教授以及山东大学穆文祥教授合作，从不同维度进行了系统研究。
一、位阻工程：“一石三鸟”的铜基卤化物
实现热加工性、结构构型与晶体生长的同步调控，一直是有机金属卤化物闪烁体开发中面临的严峻挑战。基于此，居佃兴副教授与李慧芳教授合作提出了一种基于位阻工程的“一石三鸟”设计范式，在铜基卤化物闪烁体中协同调控熔融行为、簇架构与晶体生长（图1）。机理研究表明，增强的位阻效应首先削弱配体-簇之间的静电相互作用，从而降低熔融温度；继而降低局部Cu/Br浓度，使簇构型多样化并实现可调发射；进一步改善溶解度，有利于大面积晶体生长。从头算分子动力学模拟证实，在高位阻化合物(TBA)CuBr2（四丁基铵 = TBA）中，原子运动增强且呈现类液体的动态无序。所得材料展现出优异的热熔加工性能，最低熔点为50°C，最高光致发光量子产率（PLQY）达99%，较(TBA)2Cu4Br6提升6倍，X射线光输出高达382% LYSO。得益于溶解度的改善，成功生长出大面积（约2 cm × 4 cm）单晶薄膜，其空间分辨率达到28 lp mm⁻¹，是多晶薄膜的3.4倍。值得注意的是，该策略可广泛适用于Mn基和Sb基杂化卤化物。总体而言，这项工作建立了一种通用的位阻调控设计原则，用于开发低熔点、结构可调且可溶液加工的高性能闪烁体。相关成果以“Low‐Melting and Configuration‐Tunable Copper Halide Scintillators via Steric Hindrance Optimization for Large‐Area Single‐Crystal X‐Ray Imaging”为题，发表在国际材料领域权威期刊《Advanced Functional Materials》（Advanced Functional Materials, 2026, e78786, https://doi.org/10.1002/adfm.78786）。
图1. 位阻工程实现有机Cu(I)基卤化物热加工性、结构构型与晶体生长的同步调控
二、溶剂工程+卤素调控+空间限域：三重协同实现Mn基卤化物的配位环境调控及大尺寸单晶膜生长
图2. 溶剂工程调控Mn基金属卤化物闪烁体发光性质
Mn基金属卤化物的发光效率，很大程度上取决于溶剂给电子能力对Mn2+配位环境的调控。而这一调控，最终决定了闪烁体的成像性能。然而，如何系统性地通过溶剂设计来协同优化发光效率，尤其是在大面积单晶薄膜用于高分辨X射线成像的场景下，仍是该领域尚未充分开垦的方向。近日，居佃兴副教授与陈德宏教授合作，以有机锰卤化物为模型体系，系统考察了从酸性HBr到不同给体强度非质子溶剂（ACN、DMF、DMSO）的广泛溶剂效应（图2）。其中，HBr体系生长的(TEMA)2MnBr4表现最为亮眼：PLQY高达76%，归因于其最长的Mn–Mn间距（9.1356 Å）。在X射线激发下，该晶体的光输出达到LYSO的97%，并在长时间紫外和X射线辐照下保持出色的光化学稳定性。更关键的是，大面积单晶薄膜的高透明度与极低光散射，使其在直接X射线成像中实现了超过29 lp mm⁻¹的空间分辨率，超越大多数商用和多晶闪烁体。这项工作将溶剂工程确立为一种优化发光效率的统一策略，为面向高分辨成像的高性能Mn基卤化物闪烁体提供了一份清晰的设计思路。相关工作以“Solvent Tailoring Enables Centimeter-Scale Mn-Based Metal Halide Single-Crystal Films for High-Resolution X-ray Imaging”发表于国际权威期刊《Inorganic Chemistry》（Inorg. Chem., 2026, 65 (36): 21157–21168.）
图3. 卤素工程优化Mn基金属卤化物闪烁体性能
对有机金属卤化物闪烁体而言，如何在提升辐射发光效率的同时兼顾成像分辨率，一直是通往高性能X射线成像应用的一道实质性门槛。除了上述溶剂工程调控之外，卤素调控亦是有效策略。基于此，居佃兴副教授与李慧芳教授合作将卤素调控与空间限域生长方法相结合，在系统优化Mn基卤化物闪烁体的同时，实现了大面积单晶薄膜的制备（图3）。通过精准的Cl/Br/I比例调控，优化后的MTP2MnCl4将光致发光量子产率从32.68%大幅提升至96.74%，光输出从73% LYSO跃升至243% LYSO。DFT计算进一步阐明了其发光机制：价带顶（VBM）主要来源于Mn_3d与X_np轨道，而[MnX4]2-四面体中的Mn2+离子则充当高效的激子受体与辐射中心。与此同时，研究团队开发的空间限域溶液生长方法，可制备高质量单晶薄膜。得益于优异的透明度和可忽略的光散射，这些薄膜实现了31.2 lp/mm的空间分辨率，超越大多数已报道的多晶及薄膜型闪烁体。相关工作以“Halogen Tailoring Enables Large-Area Mn-Based Halide Single-Crystal Films with Enhanced Radioluminescence and High-Resolution X-ray Imaging”发表于国际权威期刊《Inorganic Chemistry》（Inorg. Chem., 2026, 65 (38): 22362–22373.）
三、晶内配位：有机金属卤化物水下X射线成像的稳定性突破
图4. 晶内配位实现有机金属卤化物单晶膜水下稳定性及X射线成像应用
有机金属卤化物在高分辨水下X射线成像领域备受关注，但水稳定性差、单晶薄膜难以规模化制备，长期制约着其实际应用。近日，居佃兴副教授与李慧芳教授和陈德宏教授合作提出了一种晶内配位策略，并结合三重协同晶体生长方法，同时应对这两大挑战（图4）。在DFT计算的指导下，研究团队成功设计了一类水稳定的杂化金属卤化物单晶闪烁体—(1,10Phen)2PbI2、2,2BpyPbI2和2,2BpyPbBr2，实现了可调电荷转移，并将光致发光量子产率（PLQY）提升了35倍。其中，2,2BpyPbI2的光输出高达约209% BGO，较(1,10Phen)2PbI2（31% BGO）提升6.6倍。其卓越的稳定性源于晶内配位、π-π堆叠相互作用与配体疏水性的三重协同，使其在水中浸泡6个月或长时间高剂量X射线辐照（326.5 mGy s⁻¹下60分钟）后仍能保持结构完整。更进一步，团队制备出大面积2,2BpyPbI₂单晶薄膜（约12 × 8 × 0.14 mm3），在空气中实现约15.1 lp mm⁻¹的空间分辨率，水下仍保持约14 lp mm⁻¹，显著超越传统多晶薄膜（约8.7 lp mm⁻¹）。这些结果凸显了2,2BpyPbI₂在高分辨水下X射线成像中的突出潜力，为极端水下环境的先进辐射探测开辟了新路径。相关工作以“Tuning charge transfer in water-stable hybrid metal halide single crystals for high-efficiency X-ray scintillation through enhanced intracrystalline coordination interactions and π–π stacking”为题，发表在著名期刊《Inorganic Chemistry Frontiers》 （Inorg. Chem. Front. 2026，13 (18): 7939–7950.）。
四、缺陷工程：β-Ga2O3中“鱼与熊掌”的兼得
图5. β-Ga2O3晶体的闪烁性能
衰减时间与光产额之间的权衡，一直是闪烁体材料设计的核心难题。近日，居佃兴团队与山东大学穆文祥教授合作，利用缺陷工程策略在β-Ga2O3中成功实现了两者的协同优化。研究团队通过可控气氛退火，有意引入特定构型的镓空位（V_Ga），使其充当能量传递的“中继能级”，将载流子高效导向自陷激子（STE）发光通道。优化后的β-Ga2O3闪烁体光产额达到9647 ph/MeV，较未退火晶体（6971 ph/MeV）提升1.38倍。更难得的是，这一显著提升是在保持材料本征超快衰减时间（约9.1 ns）的前提下实现的（图5）。与此同时，该材料展现出19 lp mm⁻¹的空间分辨率，几乎达到商用基准CsI:Tl闪烁体（约10 lp mm⁻¹）的两倍。这项工作不仅颠覆了“缺陷仅是非辐射复合中心”的传统认知，更确立了缺陷辅助发光作为一种设计原则—为宽禁带氧化物闪烁体实现光产额与速度的协同跃升，提供了全新的路径。相关工作以“Reconfiguring the Energy Relaxation Pathway via a Counterintuitive Defect Engineering for Synergistic Optimization of β-Ga2O3 Scintillators”发表在光学领域权威期刊《Laser & Photonics Reviews》（Laser & Photonics Reviews, 2026, e71835, https://doi.org/10.1002/lpor.71835）。
上述工作虽然体系各异包括Cu(I)基、Mn基、Pb基、氧化物，但共享一条方法论主线即通过化学/结构调控，打破材料本征属性间的耦合限制，实现多项性能的协同提升。位阻工程、溶剂工程、卤素调控、晶内配位、缺陷工程，这些策略的共同本质在于不再将闪烁体性能视为孤立参数的简单加和，而是将其置于“配体-金属卤化物团簇-晶体-器件”的多级架构中系统考量。上述研究均获得国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目的资助。
