福利视频研制出基于高温下稳定工作的钙钛矿单晶的X射线探测器

  近日,福利视频薄膜硅太阳电池研究组(DNL1606组)刘生忠研究员团队与陕西师范大学张云霞博士、刘渝城博士等合作,在高温下稳定工作的类钙钛矿单晶X射线探测器研究中取得进展。

  X射线探测器广泛应用于医学诊断、环境监测、工业无损检测、安全检查等领域。现用于X射线探测的材料普遍存在制备温度高、工艺复杂、成本高等特点。近几年,低成本、制备工艺简单的有机无机杂化铅卤钙钛矿在直接X射线探测方面已展现出优异的性质,如X射线吸收系数高、检测限低以及灵敏度高等。

  目前,有机无机杂化铅卤钙钛矿要实现进一步应用还存在以下几个挑战:(1)含有大量的高毒性铅,会限制其广泛应用;(2)含有有机组分,其热稳定性较差;(3)离子迁移率高,使得制备的器件工作稳定性差,尤其是需要在高电场下工作的X射线探测器,离子迁移导致非常明显的响应不稳定性;(4)体电阻率低,使得器件产生较高的暗电流。以上几个问题极大地限制了有机无机杂化钙钛矿材料在X射线探测方面的应用。

  

  全无机Cs3Bi2I9单晶具有热稳定性好(550 ℃不分解)、不含高毒性铅、离子迁移率低和体电阻率高等特点,很好地解决了有机无机铅卤钙钛矿存在的不足。然而,Cs3Bi2I9的结构为缺陷型钙钛矿,这种材料在低温溶液中一旦达到临界点,极易成核,即在存在优势晶核的条件下,也会继续大量成核,难以控制。因此,低温溶液法生长大尺寸、高质量的Cs3Bi2I9晶体存在一定的挑战。针对这一难点,团队开发了一种成核控制的低温溶液法来培养大尺寸的Cs3Bi2I9钙钛矿单晶。利用该技术,成功获得厘米级大小的高质量单晶。更重要的是,Cs3Bi2I9单晶具有X射线吸收效率高、缺陷态密度低、离子迁移率低、噪声电流低等优势,因此,使用Cs3Bi2I9单晶制备的探测器对X射线表现出较高的探测性能。在50 Vmm-1的电场强度下,Cs3Bi2I9单晶X射线探测器的灵敏度达到1652.3 μCGyair-1cm-2,检测限为130 nGyairs-1。该器件具有稳定的基线和输出信号,展现出优异的成像能力。此外,Cs3Bi2I9单晶优异的热稳定性保证了该单晶X射线探测器在100 ℃高温下也可以稳定工作。该研究使用了一种简单方法培养大尺寸钙钛矿单晶,有助于推动钙钛矿材料在X射线探测方面的应用。

  相关研究成果发表在《自然-通讯》上(Nature Communications)。该工作得到了国家自然科学基金项目、中国国家重点研究与发展计划项目、陕西省科技创新引导项目等的资助。(文/图 段连杰、张云霞)    

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