我所研制出基于高溫下穩定工作的鈣鈦礦單晶的X射線探測器

  近日,我所薄膜硅太陽電池研究組(DNL1606組)劉生忠研究員團隊與陜西師范大學張云霞博士、劉渝城博士等合作,在高溫下穩定工作的類鈣鈦礦單晶X射線探測器研究中取得進展。

  X射線探測器廣泛應用于醫學診斷、環境監測、工業無損檢測、安全檢查等領域?,F用于X射線探測的材料普遍存在制備溫度高、工藝復雜、成本高等特點。近幾年,低成本、制備工藝簡單的有機無機雜化鉛鹵鈣鈦礦在直接X射線探測方面已展現出優異的性質,如X射線吸收系數高、檢測限低以及靈敏度高等。

  目前,有機無機雜化鉛鹵鈣鈦礦要實現進一步應用還存在以下幾個挑戰:(1)含有大量的高毒性鉛,會限制其廣泛應用;(2)含有有機組分,其熱穩定性較差;(3)離子遷移率高,使得制備的器件工作穩定性差,尤其是需要在高電場下工作的X射線探測器,離子遷移導致非常明顯的響應不穩定性;(4)體電阻率低,使得器件產生較高的暗電流。以上幾個問題極大地限制了有機無機雜化鈣鈦礦材料在X射線探測方面的應用。

  

  全無機Cs3Bi2I9單晶具有熱穩定性好(550 ℃不分解)、不含高毒性鉛、離子遷移率低和體電阻率高等特點,很好地解決了有機無機鉛鹵鈣鈦礦存在的不足。然而,Cs3Bi2I9的結構為缺陷型鈣鈦礦,這種材料在低溫溶液中一旦達到臨界點,極易成核,即在存在優勢晶核的條件下,也會繼續大量成核,難以控制。因此,低溫溶液法生長大尺寸、高質量的Cs3Bi2I9晶體存在一定的挑戰。針對這一難點,團隊開發了一種成核控制的低溫溶液法來培養大尺寸的Cs3Bi2I9鈣鈦礦單晶。利用該技術,成功獲得厘米級大小的高質量單晶。更重要的是,Cs3Bi2I9單晶具有X射線吸收效率高、缺陷態密度低、離子遷移率低、噪聲電流低等優勢,因此,使用Cs3Bi2I9單晶制備的探測器對X射線表現出較高的探測性能。在50 Vmm-1的電場強度下,Cs3Bi2I9單晶X射線探測器的靈敏度達到1652.3 μCGyair-1cm-2,檢測限為130 nGyairs-1。該器件具有穩定的基線和輸出信號,展現出優異的成像能力。此外,Cs3Bi2I9單晶優異的熱穩定性保證了該單晶X射線探測器在100 ℃高溫下也可以穩定工作。該研究使用了一種簡單方法培養大尺寸鈣鈦礦單晶,有助于推動鈣鈦礦材料在X射線探測方面的應用。

  相關研究成果發表在《自然-通訊》上(Nature Communications)。該工作得到了國家自然科學基金項目、中國國家重點研究與發展計劃項目、陜西省科技創新引導項目等的資助。(文/圖 段連杰、張云霞)    

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