科学岛团队利用CsPbBr3异相钙钛矿实现高灵敏度X射线探测

近日，中国科学院合肥物质院固体所研究团队在钙钛矿X射线探测及成像研究方面取得新进展。研究人员创新性地提出了一种名为“异相铰连策略（Out-of-Phase Articulation Strategy, OPAS）”的新思路，将异相CsPb₂Br₅钙钛矿掺入CsPbBr₃体相之中，从而构建电子（空穴）快速通道，实现体相载流子的高速率传输，获得了2.58×10⁵ μC Gy_air^-1 cm^-2的高X射线探测灵敏度和127.9 nGy_air^-1的低检测限，与TFT板集成可实现X射线成像。相关成果发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。

与传统的α-Se、CsI和CdZnTe等探测器材料相比，金属卤化物钙钛矿因其高灵敏度、低探测限以及优异的空间分辨率，已在医疗影像、无损检测和安全检查等领域展示出广阔的应用前景。特别是无机钙钛矿CsPbBr₃，以其出色的环境稳定性和高温可塑性在众多钙钛矿材料中脱颖而出。然而，CsPbBr₃通常以单晶形式被报道，制备难度大且成本高。多晶形式制备的CsPbBr₃器件，则会出现体相载流子迁移率极低的情况，这对于其用于阵列成像有较大的限制。

固体所能源材料与器件制造研究部的研究人员提出“异相铰连策略”，在CsPbBr₃的晶界中铰接2D CsPb₂Br₅的第二相。2D结构CsPb₂Br₅的引入不会导致电流基线的降低，相反，它提高了CsPbBr₃体内的载流子迁移率。2D CsPb₂Br₅在CsPbBr₃的晶界中建立电子（空穴）加速通道，在X射线照射下，通过施加25 V低电压，实现了2.58×10⁵ μC Gy_air cm^-2的高灵敏度，并在0.5 V电压下具有127.9 nGy_air s^-1的最小检测极限，获得了1.57 lp mm^-1的高空间分辨率（MTF=0.2）。

此外，研究人员进一步在薄膜晶体管(TFT)背板上集成多晶CsPb₂Br₅/CsPbBr₃，实现了多像素X射线面阵成像。这一重要突破不仅证明了CsPbBr₃材料在成像应用中的可行性，更为钙钛矿在X射线成像技术中的应用开辟了新的材料体系和设计思路。

上述工作得到了国家自然科学基金、合肥物质院院长基金等项目的支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202401220

图. CsPb₂Br₅增强CsPbBr₃中电荷载流子传输：（a）开尔文探针绘制的CsPbBr₃和CsPb₂Br₅界面之间的接触电位差。左图显示无外部偏压时的接触电势图，右图显示对CsPbBr₃侧施加1 V偏压时的接触电势图；（b）0 V和1 V时CsPbBr₃和CsPb₂Br₅之间的电势变化；（c）当CsPbBr₃体相中的电子通过CsPb₂Br₅时发生电子加速，以及界面修复示意图；（d）在1 V偏压下将正电压施加到CsPb₂Br₅一侧的金电极上，晶圆器件的暗电流；（e）当将正电压施加到未被CsPb₂Br₅处理的晶圆的金电极侧时，晶圆器件在1 V偏压下的暗电流；（f）在1 V偏压下纯CsPbBr₃晶圆器件的暗电流。