我国学者与海外合作者在高稳定高灵敏钙钛矿单晶及X射线探测器的研究中取得进展

　　

图 高稳定钙钛矿单晶的结构设计策略及其在低偏压下的X-射线探测性能及应用。（a）晶相结构稳定的Cs_0.1FA_0.9Pb(I_0.9Br_0.1)₃（CsFA）单晶；（b, c）GA引入CsFA钙钛矿结构中易诱导V_Pb^2-空位形成，通过引入微量B位掺杂剂Sr²⁺能够有效抑制空位的形成；（d, e）A位和B位协同作用下，优异的钙钛矿单晶探测器的最低检测下限及低偏压下的灵敏度；（f）设计制作的低偏压驱动的辐射剂量监测原型样机

　　在国家自然科学基金项目（批准号：61875072、61874052、62004182）等资助下，吉林大学沈亮教授团队、南昌大学姚凯副教授团队与合作者在高稳定和高灵敏钙钛矿单晶及X射线探测器研究中取得进展。研究成果以“钙钛矿单晶协同应变工程研制高稳定高灵敏度X射线探测器及其低偏压成像和监测应用（Synergistic strain engineering of perovskite single crystals for highly stable and sensitive X-ray detectors with low-bias imaging and monitoring）”为题，于2022年7月18日在线发表于《自然·光子学》（Nature Photonics）。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41566-022-01024-9。

　　卤化钙钛矿（ABX₃）晶体材料因其具有低陷阱密度和高迁移率寿命积的优点，在光伏、发光以及探测等领域展示出了强劲的发展态势。此外，其具有高原子序数、高辐射吸收系数和直接型探测的优点，在提升辐射探测器性能上也被寄予厚望。目前，基于甲胺体系的单晶钙钛矿材料研究最为广泛，但甲胺的易挥发性导致钙钛矿单晶器件长期稳定性差，而大多数无甲胺钙钛矿单晶材料（如CsFA体系，FA为甲脒）具有高的缺陷态密度，在光电性能方面远不如甲胺体系钙钛矿。

　　围绕上述问题，该团队设计了一种A位和B位协同作用下的组分调控方案，可以实现对不同类型缺陷形成能的精准调控。一方面，在A位引入特定的大有机胺阳离子，通过形成氢键可以有效地提高卤素（X位）空位的形成能；另一方面，在B位阳离子中引入低浓度的碱土金属离子掺杂剂，可以有效抑制A位无序排列引起的微应力副作用。通过在A和B位上的协同应变工程，稳定的无甲胺钙钛矿单晶显示出优异的光电性能，实现了超低检测下限（LoD，7.09?nGy_air?s^?1）和在低电场（1?V?cm^?1）下的高灵敏度（(2.6?±?0.1)×10⁴?μC?Gy_air^?1?cm^?2），以及半年以上的长期稳定性。设计制作的低偏压驱动的辐射剂量监测原型样机，可以实现对检测限低至nGys^-1的X射线剂量准确监测（图）。

　　本文从理论计算、晶体结构表征以及器件性能分析等角度研究了A位和B位协同作用下的钙钛矿组分优化方案在提升非甲胺基钙钛矿单晶的光电性能和稳定性方面的作用机理。为发展高稳定性卤化钙钛矿晶体材料提供了新的思路，有望突破传统A位分子结构设计的局限，实现其在光电/射线探测领域的应用。