我所研制出應用于X射線成像的零維非鉛鈣鈦礦單晶

  近日,我所薄膜硅太陽電池研究組(DNL1606)劉生忠研究員團隊與陜西師范大學劉渝城博士、徐卓博士、楊周博士等合作,基于近年在高質量大尺寸鈣鈦礦單晶生長的技術積累和完備的科研平臺,成功設計、集成了大尺寸零微結構非鉛(類)鈣鈦礦單晶高性能X射線成像器件。

  鈣鈦礦材料是近年發展最快也是最熱門的半導體材料之一。與鈣鈦礦微晶薄膜相比,低缺陷態、高遷移率和更穩定的大尺寸鈣鈦礦單晶更適用于X射線等高能輻射探測。目前,已經有幾種三維/二維(3D/2D)鈣鈦礦單晶材料被用于X射線探測器,但仍然存在很多不足。一方面,三維鈣鈦礦單晶具有高遷移率和大載流子擴散長度,但由于較高的載流子濃度,使得光電器件呈現很高的暗電流。此外,三維鈣鈦礦內部離子容易遷移,尤其是在高電場下離子遷移異常明顯,導致探測器在工作狀態下不夠穩定,器件信噪比低,基線漂移嚴重,響應不穩定,甚至器件本身都容易損壞。

  之前的研究表明,低離子遷移和高體相電阻率是保證高能射線探測器在高電場下穩定輸出的必要條件,因此也是實現高性能X射線成像的巨大挑戰。此外,如何獲得高質量、大尺寸的鈣鈦礦單晶,以及取代高毒性鉛元素而不犧牲光電性能,更是該領域的較大難題。

  

  該團隊采用低溫溶液生長策略,成功制備了大尺寸零維結構鉍基鈣鈦礦(CH3NH3)3Bi2I9 (MA3Bi2I9)單晶。試驗證明,該單晶具有很高的X射線吸收率、很低的缺陷態密度、低離子遷移率、高體電阻率以及很好的環境穩定性等。在MA3Bi2I9單晶上設計制備集成的X射線探測器表現出優異的性能。在60 Vmm-1的電場下,探測器的靈敏度達到1947.3 μCGyair-1cm-2,檢測限低于83 nGyairs-1,遠低于常規醫療診斷劑量標準(5.5 μGyairs-1)。此外,MA3Bi2I9單晶X射線探測器的基線漂移率為5.0×10-10 nAcm-1s-1V-1,比三維結構的MAPbI3鈣鈦礦單晶低7個數量級(2.0×10-3 nAcm-1s-1V-1),保證了器件很好的工作穩定性和高信噪比,從而實現了高靈敏穩定的X射線成像。

  相關成果發表在Matter上。該工作同時得到了美國西北大學Mercouri G. Kanatzidis教授團隊和西安交通大學劉明教授團隊的支持和幫助,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、劉渝城)

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