超強(qiáng)激光科學(xué)卓越創(chuàng)新簡報(bào)

(第五百六十期)

2024年10月9日

上海光機(jī)所在用于X射線探測的二維鈣鈦礦PEA₂PbBr₄單晶生長方面取得進(jìn)展

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光元件技術(shù)與工程部薄膜光學(xué)研發(fā)中心邵宇川研究員團(tuán)隊(duì)和上海大學(xué)微電子學(xué)院合作，提出了一種在氫溴酸中通過降溫法生長PEA₂PbBr₄二維鈣鈦礦單晶的方法。在富含鹵素的環(huán)境中通過控制溫度緩慢降溫生長出了高質(zhì)量晶體，由其制得的X射線探測器器件性能表現(xiàn)出色，在低探測極限方面優(yōu)于其他同類研究。相關(guān)研究成果以“X-ray Detector with Ultra-low Detection Limit based on Bulk Two-dimensional Perovskite PEA₂PbBr₄ Single Crystals Grown in HBr Solution”為題發(fā)表于Journal of Materials Chemistry A。

三維鹵化物鈣鈦礦作為X射線探測器的吸收材料已展現(xiàn)出優(yōu)異性能，但其中的鹵素離子在持續(xù)高偏壓下易發(fā)生遷移，影響器件的工作穩(wěn)定性。相比之下，二維層狀鹵化物鈣鈦礦中的疏水有機(jī)分子間隔層有效抑制了離子遷移，同時(shí)提高了環(huán)境與工作穩(wěn)定性。此外，由于二維鈣鈦礦的電阻率高于三維鈣鈦礦，理論上可實(shí)現(xiàn)更低的噪聲電流，從而降低探測極限。然而，目前報(bào)道的二維鈣鈦礦單晶X射線探測器的探測極限并未顯著優(yōu)于三維鈣鈦礦單晶器件，二維鈣鈦礦單晶在該領(lǐng)域仍值得進(jìn)一步研究。

圖 1. (a) 基于氫溴酸溶液中晶體成核曲線的晶體生長策略；(b) 二維層狀鈣鈦礦PEA?PbBr?的晶體結(jié)構(gòu)； (c) 由于溶質(zhì)配比不同，生長得到的兩種PEA?PbBr?單晶表面圖片，與 (d) 兩種 PEA?PbBr?單晶厚度圖片

本次工作中，使用對應(yīng)PEA?PbBr?化學(xué)式配比的原始溶質(zhì)比例（PEABr:PbBr₂ = 2:1）生長得到的晶體極薄、易碎無法進(jìn)行加工，且厚度不足以有效吸收X射線。研究團(tuán)隊(duì)基于不同溶質(zhì)在氫溴酸中的溶解度差異，采用優(yōu)化后的溶質(zhì)配比2:3，使溶液在初期提供了一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境和適宜的成核驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)晶體生長，首次通過溶液法在氫溴酸中獲得大尺寸PEA?PbBr?單晶（7 × 6 × 1 mm3）。制得的PEA?PbBr?單晶X射線探測器表現(xiàn)出被抑制的離子遷移現(xiàn)象和優(yōu)異的載流子輸運(yùn)特性，包括高的載流子遷移率和壽命積（μτ = 5.8 × 10?? cm2 V?1）。在該μτ值與低噪聲電流的共同作用下，器件在100 V偏壓下實(shí)現(xiàn)了2998 μC Gyair?1 s?1 cm?2的高靈敏度和0.79 nGyair?1 s?1的低探測極限。同時(shí)，器件表現(xiàn)出優(yōu)秀的長期穩(wěn)定性，在暗態(tài)1小時(shí)、打開射線照射7小時(shí)、關(guān)閉射線暗態(tài)1小時(shí)共9小時(shí)的工作時(shí)間里，暗電流與光電流均十分穩(wěn)定。該研究為高質(zhì)量二維層狀鈣鈦礦單晶的生長及其在X射線探測器中的應(yīng)用提供了重要的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

圖 2. (a) PEA?PbBr?單晶X射線探測器示意圖；(b) PEA?PbBr?探測器射線性能與其他二維鈣鈦礦探測器對比； (c) PEA?PbBr?探測器長期工作穩(wěn)定性，經(jīng)歷射線關(guān)-開-關(guān)

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