固體所基於CsPbBr3異相鈣鈦礦實現高靈敏度X射線探測

近日 ，中國科學院合肥物質院固體所能源材料與器件製造研究部在鈣鈦礦X射線探測及成像研究方麵取得新進展 。研究人員提出構建鉸接策略的新思路 ，將異相CsPb2Br5鈣鈦礦摻入CsPbBr3體相內形成電子（空穴）加速效應 ，構建電子（空穴）快速通道 ，實現體相載流子的高速率傳輸 ，獲得了2.58×105 μC Gyair-1 cm-2的高X射線探測靈敏度和127.9 nGyair-1的低檢測限 ，與TFT板集成可實現X射線成像 。相關成果以“Out-of-Phase Articulation Strategy of CsPbBr3/CsPb2Br5 Perovskite for High Sensitivity X-Ray Detection”為題發表在Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater. 2024, 2401220, DOI: 10.1002/adfm.202401220)上 。      與α-Se 、CsI和CdZnTe等傳統探測器材料相比 ，金屬鹵化物鈣鈦礦表現出優異的X射線探測性能 ，具有高靈敏度 、低探測限和較高的空間分辨率 ，在醫療影像 、無損檢測 、安全檢查等方麵顯示出巨大的應用潛力 。這種優勢源於其高X射線衰減係數 、高缺陷容忍度 、顯著的載流子壽命積（μτ）和可調的帶隙 。與其它鈣鈦礦材料相比 ，無機鈣鈦礦CsPbBr3具有出色的環境穩定性和獨特的高溫可塑性 ，使其在X射線探測器及成像的應用中具有顯著優勢 。然而 ，CsPbBr3通常以單晶形式被報道 ，製備難度大且成本高 。多晶形式製備的CsPbBr3器件 ，則會出現體相載流子遷移率極低的情況 ，這對於其用於陣列成像有較大的限製 。

固體所研究人員提出異相鉸連策略（Out-of-Phase Articulation Strategy, OPAS） ，在CsPbBr3的晶界中鉸接2D CsPb2Br5的第二相 。2D結構CsPb2Br5的引入不會導致電流基線的降低 ，相反 ，它提高了CsPbBr3體內的載流子遷移率 。2D CsPb2Br5在CsPbBr3的晶界中建立電子（空穴）加速通道 ，在X射線照射下 ，通過施加25 V低電壓 ，實現了2.58×105 μC Gyair cm-2的高靈敏度 ，並在0.5 V電壓下具有127.9 nGyair s-1的最小檢測極限 ，獲得了1.57 lp mm-1的高空間分辨率（MTF=0.2） 。此外，研究人員進一步在薄膜晶體管(TFT)背板上集成多晶CsPb2Br5/CsPbBr3 ，實現了多像素X射線麵陣成像 ，證明了CsPbBr3材料應用於成像可行性 ，為鈣鈦礦應用於X射線成像提供了一種新的材料體係和設計思路 。

上述工作得到了國家自然科學基金 、合肥物質院院長基金等項目的支持 。

論文鏈接 ：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202401220 

圖. CsPb2Br5增強CsPbBr3中電荷載流子傳輸 ：（a）開爾文探針繪製的CsPbBr3和CsPb2Br5界麵之間的接觸電位差 。左圖顯示無外部偏壓時的接觸電勢圖 ，右圖顯示對CsPbBr3側施加1 V偏壓時的接觸電勢圖 ；（b）0 V和1 V時CsPbBr3和CsPb2Br5之間的電勢變化 ；（c）當CsPbBr3體相中的電子通過CsPb2Br5時發生電子加速 ，以及界麵修複示意圖 ；（d）在1 V偏壓下將正電壓施加到CsPb2Br5一側的金電極上 ，晶圓器件的暗電流 ；（e）當將正電壓施加到未被CsPb2Br5處理的晶圓的金電極側時 ，晶圓器件在1 V偏壓下的暗電流 ；（f）在1 V偏壓下純CsPbBr3晶圓器件的暗電流 。