基于大尺寸高质量二维钙钛矿单晶的X射线探测器

来源：X一MOL资讯

有机无机杂化钙钛矿材料具有较低的缺陷态密度、较长的载流子寿命、较高的载流子迁移率和低的制备成本等优点，近年来在高能X射线的探测领域得到了越来越多的关注。与常见的三维钙钛矿和单胺基Ruddlesden-Popper (A)2A′n-1MnY3n+1二维钙钛矿相比，直链双胺阳离子的AA′n−1MnX3n+1是一种新型二维钙钛矿，兼有出色的载流子传输和稳定性。然而，其光电特性尚未被完全探究清楚，且缺乏大尺寸高质量的单晶材料用于光电器件应用。
最近，陕西师范大学赵奎教授与南京工业大学陈永华教授合作，报道了一种优化的降温结晶方法（modified temperature crystallization method），成功生长出厘米尺寸的二维钙钛矿(BDA)PbI4单晶。光电性质研究表明(BDA)PbI4单晶的缺陷态密度低达3.1×109 cm-3，基于(BDA)PbI4单晶材料的X射线探测器获得了242 µC Gyair-1 cm-2的灵敏度、430 nGyair s-1的低探测极限、7.3 ms的短响应时间、6.06 ×10-9 nA cm-1 s-1 V-1的低暗电流基线漂移、以及极好的稳定性。上述结果说明基于直链双胺阳离子的AA′n−1MnX3n+1型二维钙钛矿单晶在X射线探测应用的巨大潜力。该成果已于5月20日发表在Wiley旗下期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

图1.（a）30 ℃/h；（b）1 ℃/h的恒定速率降温生长的(BDA)PbI4单晶照片；（c）厘米尺寸的(BDA)PbI4单晶照片；（d）(BDA)PbI4单晶XRD图谱；（e-f） (BDA)PbI4在（e）（001）面和（f）（010）面的结构示意图。

图2.（a-b）(BDA)PbI4晶体（a）（001）面；（b）（010）面SEM图像；（c）(BDA)PbI4晶体AFM图像；（d）(BDA)PbI4晶体EDS图谱；（e）(BDA)PbI4晶体XPS光谱；（f）(BDA)PbI4的 TGA和DSC曲线。

图3.（a）(BDA)PbI4的ABS和PL图谱；（b）(BDA)PbI4的TRPL图谱；（c）(BDA)PbI4的电容-频率和介电常数曲线；（d）(BDA)PbI4的缺陷态密度测试。

图4 （a）(BDA)PbI4的平面型X射线探测器示意图；（b）平面型X射线探测器工作中电场取向示意图；（c）(BDA)PbI4的光导测试；（d）(BDA)PbI4的X射线探测器在不同剂量下的电流响应测试；（e）(BDA)PbI4的X射线探测器的时间响应测试；（f）(BDA)PbI4的X射线探测器的光电流和暗电流稳定性测试。
上述研究得到了陕西师范大学刘生忠教授与西北工业大学黄维院士大力支持。