近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所能源材料與器件制造研究部在鈣鈦礦X射線探測及成像研究方面取得新進(jìn)展。研究人員提出構(gòu)建鉸接策略的新思路，將異相CsPb2Br5鈣鈦礦摻入CsPbBr3體相內(nèi)形成電子（空穴）加速效應(yīng)，構(gòu)建電子（空穴）快速通道，實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)X射線成像。相關(guān)成果以“Out-of-Phase Articulation Strategy of CsPbBr3/CsPb2Br5 Perovskite for High Sensitivity X-Ray Detection”為題發(fā)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(tǒng)探測器材料相比，金屬鹵化物鈣鈦礦表現(xiàn)出優(yōu)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(yī)療影像、無損檢測、安全檢查等方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力。這種優(yōu)勢源于其高X射線衰減系數(shù)、高缺陷容忍度、顯著的載流子壽命積（μτ）和可調(diào)的帶隙。與其它鈣鈦礦材料相比，無機(jī)鈣鈦礦CsPbBr3具有出色的環(huán)境穩(wěn)定性和獨(dú)特的高溫可塑性，使其在X射線探測器及成像的應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢。然而，CsPbBr3通常以單晶形式被報(bào)道，制備難度大且成本高。多晶形式制備的CsPbBr3器件，則會(huì)出現(xiàn)體相載流子遷移率極低的情況，這對(duì)于其用于陣列成像有較大的限制。

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(jié)構(gòu)CsPb2Br5的引入不會(huì)導(dǎo)致電流基線的降低，相反，它提高了CsPbBr3體內(nèi)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(shí)現(xiàn)了2.58×105 μC Gyair cm-2的高靈敏度，并在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(jìn)一步在薄膜晶體管(TFT)背板上集成多晶CsPb2Br5/CsPbBr3，實(shí)現(xiàn)了多像素X射線面陣成像，證明了CsPbBr3材料應(yīng)用于成像可行性，為鈣鈦礦應(yīng)用于X射線成像提供了一種新的材料體系和設(shè)計(jì)思路。

上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、合肥物質(zhì)院院長基金等項(xiàng)目的支持。

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

圖. CsPb2Br5增強(qiáng)CsPbBr3中電荷載流子傳輸：（a）開爾文探針繪制的CsPbBr3和CsPb2Br5界面之間的接觸電位差。左圖顯示無外部偏壓時(shí)的接觸電勢圖，右圖顯示對(duì)CsPbBr3側(cè)施加1 V偏壓時(shí)的接觸電勢圖；（b）0 V和1 V時(shí)CsPbBr3和CsPb2Br5之間的電勢變化；（c）當(dāng)CsPbBr3體相中的電子通過CsPb2Br5時(shí)發(fā)生電子加速，以及界面修復(fù)示意圖；（d）在1 V偏壓下將正電壓施加到CsPb2Br5一側(cè)的金電極上，晶圓器件的暗電流；（e）當(dāng)將正電壓施加到未被CsPb2Br5處理的晶圓的金電極側(cè)時(shí)，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。