隨著現代醫療影像技術和可穿戴技術的快速發展，傳統剛性X射線探測器越來越難以滿足靈活便攜、低輻射劑量和高分辨成像的需求。因此，開發具備高性能且易于加工的柔性X射線探測屏顯得尤為重要。

鋯基金屬鹵化物相比鉛、鎘基傳統材料具有更好的環境友好性，而目前所發現的鋯基材料有限的發光效率和低的穩定性嚴重限制其在X射線成像上的應用。通過分子工程引入大體積的有機陽離子構筑高性能的零維結構，并基于顯著的空間位阻和量子限域作用，形成高效的自陷態激子發光是實現鋯基鹵化物高效閃爍發光的重要途徑。

近期，西北師范大學的韓麗麗云亭教授與蘭州大學的靳志文教授合作，基于第一性原理的分子結構設計，導向性構筑和合成了新型的零維有機-無機雜化鋯基鹵化物材料（C₁₄H₄₀N₄ZrCl₈與C₆H₁₆N₂ZrCl₆），實現了高性能的柔性X射線成像。

通過引入大體積有機陽離子[C₇H₂₀N₂]²⁺ (N,N,2,2-四甲基-1,3-丙二胺)，調節[ZrCl₆]^2-多面體間的距離，進而調控多面體之間的電子耦合作用，同時在結構中引入的間隙 Cl^-，形成了更強的N-H⁺···Cl^-氫鍵，平衡了由于C₁₄H₄₀N₄ZrCl₈中引入的大位阻的有機陽離子而導致的結構不穩定和更多的缺陷，使得C₁₄H₄₀N₄ZrCl₈表現出了高效的自陷態激子發光。相比之下，基于較小空間位阻和較弱氫鍵作用構筑的C₆H₁₆N₂ZrCl₆呈現出較差的結構剛性和低的自陷態激子發光效率。第一性原理計算表明引入的大體積陽離子和間隙 Cl^- 在 C₁₄H₄₀N₄ZrCl₈ 中不僅實現了鹵化物多面體結構的維數調制，而且影響了八面體結構的變形和能帶彎曲，有效增強了晶格穩定性并減少了缺陷的形成，從而賦予 C₁₄H₄₀N₄ZrCl₈ 優于C₆H₁₆N₂ZrCl₆的發光性能。在 X 射線激發下，C₁₄H₄₀N₄ZrCl₈ 和 C₆H₁₆N₂ZrCl₆ 分別表現出約為 28,676 和 10,805 photons/MeV的光產額。

進一步C₁₄H₄₀N₄ZrCl₈閃爍體與高聚物 (PS) 混合，并通過熱刮涂得到了面積高達200×100 mm²的柔性閃爍屏，表現出了21.35 lp/mm的高空間分辨率與2.270 μGy/s的最低檢測限，有效避免了傳統探測材料難以彎折導致的成像失真的問題。這一創新的材料設計思路，為未來高性能柔性X射線探測器的產業化發展提供了重要的有價值的啟示。

Organic Cation Modulation in Hybrid Zirconium Halides for High-Performance Flexible X-Ray Imaging

Lili Han, Minglang Yuan, Hang Xie, Guoqiang Peng, Youkui Xu, Xiushuo Zhang, Zhipeng Ci, Zhiwen Jin

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202425385