用于高性能X射线探测的无铅卤化物钙钛矿

来自 网络 的图片

用于高性能X射线探测的无铅卤化物钙钛矿用于高性能X射线探测的无铅卤化物钙钛矿 Cs3Bi2Br9单晶，金属卤化物钙钛矿具有低的缺陷态密度、长的载流子扩散长度以及对X射线和γ射线大的吸收系数等优异性质，在核辐射探测领域展现出广阔的应用前景。

目录

成果简介

金属卤化物钙钛矿具有低的缺陷态密度、长的载流子扩散长度以及对X射线和γ射线大的吸收系数等优异性质，在核辐射探测领域展现出广阔的应用前景。然而，含有毒性的Pb被认为是限制卤化物钙钛矿材料广泛应用的主要因素之一。全无机Bi基类钙钛矿单晶材料兼具Pb基钙钛矿材料优异的光电性质、环境“友好”、性能稳定、缺陷密度低、无晶界引起的载流子复合效应等优点，成为研制高性能核辐射探测器重要的侯选材料之一。 针对三维钙钛矿晶体电阻率偏低、离子迁移严重、Pb的毒性以及有机-无机杂化钙钛矿热稳定性差等问题，山东大学晶体材料国家重点实验室首次采用垂直布里奇曼法生长了一种新型的二维无铅钙钛Cs3Bi2Br9晶体(图1)。本成果中，室温下Cs3Bi2Br9晶体沿a轴和c轴都具有极低的热导率，分别为0.25 和0.24 W m-1 K-1；a和c轴的热膨胀系数分别为5.02 ´ 10-5和2.96 ´ 10-5 K-1。其大的热膨胀各向异性以及二维层状结构的解理习性导致Cs3Bi2Br9晶体在冷却过程中易产生裂纹缺陷。此外，研究人员首次在Cs3Bi2Br9晶体中发现了CsBr包裹体缺陷，通过工艺参数的优化抑制了包裹体和裂纹的产生，获得了直径26 mm长度55 mm的英寸尺寸直径的晶体。 二维层状结构的Cs3Bi2Br9晶体的电阻率高达1.41 × 1012 Ω cm，离子激活能为1032.4 meV，迁移率寿命积为8.32×10-4 cm2 V-1，这些优良的电学性质为高性能的X射线探测奠定了材料基础。Cs3Bi2Br9晶体的(1¯20)晶面垂直结构和平面结构探测器的X射线探测性能表现出大的差异（图2）。在100 V的电压下，平行结构器件的灵敏度为181 μC Gyair−1 cm−2。然而对于垂直结构器件，在100 V电压下的灵敏度仅为8.53 μC Gyair-1cm-2。进一步的研究表明，Cs3Bi2Br9单晶表现出优异的硬X射线探测性能，在10000 Vcm-1的高电场强度下，Cs3Bi2Br9单晶表现出非常稳定的暗电流特性，暗电流漂移仅为2.8×10-10nA cm-1 s-1 V-1。对120 keV硬X射线探测的灵敏度达到1705 μC Gyair-1 cm-2 ，最低检测限仅为0.58 nGyair s-1 ，比目前商用医疗探测器辐射剂量标准低4个数量级。 此外，室温环境中放置45天后，在12.24 μGyair s−1的剂量率下Cs3Bi2Br9单晶探测器光电流基本稳定且无信噪比损失。为了模拟人体医疗伤害，通过X射线成像再现了医学成像演示（图4c和d）。当在40 keV软X射线成像时，难以区分猪肉和内部的金属螺钉。相比之下，在120 keV硬X射线时，可以清楚地分辨出猪肉和内部的螺钉。上述研究表明，Cs3Bi2Br9单晶在低剂量医用X射线成像领域具有重要的应用前景。

经济效益与社会效益

X射线探测在医疗成像检测等领域具有重要应用，目前商用的α-Se探测器灵敏度低、检测限高，导致拍X光片对病人的伤害较大。该成果报道了一种无铅钙钛矿单晶的生长及高性能X射线探测器的制备，有望降低医用X射线探测所需的X射线剂量。