近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所薄膜硅太陽(yáng)電池研究組研究員劉生忠團(tuán)隊(duì)與陜西師范大學(xué)博士劉渝城、徐卓、楊周等合作，基于近年在高質(zhì)量大尺寸鈣鈦礦單晶生長(zhǎng)的技術(shù)積累和完備的科研平臺(tái)，成功設(shè)計(jì)、集成了大尺寸零微結(jié)構(gòu)非鉛（類(lèi)）鈣鈦礦單晶高性能X射線(xiàn)成像器件。
　　鈣鈦礦材料是近年發(fā)展最快也是最熱門(mén)的半導(dǎo)體材料之一。與鈣鈦礦微晶薄膜相比，低缺陷態(tài)、高遷移率和更穩(wěn)定的大尺寸鈣鈦礦單晶更適用于X射線(xiàn)等高能輻射探測(cè)。目前，已經(jīng)有幾種三維/二維(3D/2D)鈣鈦礦單晶材料被用于X射線(xiàn)探測(cè)器，但仍然存在很多不足。一方面，三維鈣鈦礦單晶具有高遷移率和大載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度，但由于較高的載流子濃度，使得光電器件呈現(xiàn)很高的暗電流。此外，三維鈣鈦礦內(nèi)部離子容易遷移，尤其是在高電場(chǎng)下離子遷移異常明顯，導(dǎo)致探測(cè)器在工作狀態(tài)下不夠穩(wěn)定，器件信噪比低，基線(xiàn)漂移嚴(yán)重，響應(yīng)不穩(wěn)定，甚至器件本身都容易損壞。
　　之前的研究表明，低離子遷移和高體相電阻率是保證高能射線(xiàn)探測(cè)器在高電場(chǎng)下穩(wěn)定輸出的必要條件，因此也是實(shí)現(xiàn)高性能X射線(xiàn)成像的巨大挑戰(zhàn)。此外，如何獲得高質(zhì)量、大尺寸的鈣鈦礦單晶，以及取代高毒性鉛元素而不犧牲光電性能，更是該領(lǐng)域的較大難題。
　　該團(tuán)隊(duì)采用低溫溶液生長(zhǎng)策略，成功制備了大尺寸零維結(jié)構(gòu)鉍基鈣鈦礦(CH3NH3)3Bi2I9(MA3Bi2I9)單晶。試驗(yàn)證明，該單晶具有很高的X射線(xiàn)吸收率、很低的缺陷態(tài)密度、低離子遷移率、高體電阻率以及很好的環(huán)境穩(wěn)定性等。在MA3Bi2I9單晶上設(shè)計(jì)制備集成的X射線(xiàn)探測(cè)器表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。在60 Vmm-1的電場(chǎng)下，探測(cè)器的靈敏度達(dá)到1947.3 μCGyair-1cm-2，檢測(cè)限低于83 nGyairs-1，遠(yuǎn)低于常規(guī)醫(yī)療診斷劑量標(biāo)準(zhǔn)(5.5 μGyairs-1)。此外，MA3Bi2I9單晶X射線(xiàn)探測(cè)器的基線(xiàn)漂移率為5.0×10-10 nAcm-1s-1V-1，比三維結(jié)構(gòu)的MAPbI3鈣鈦礦單晶低7個(gè)數(shù)量級(jí)(2.0×10-3 nAcm-1s-1V-1)，保證了器件很好的工作穩(wěn)定性和高信噪比，從而實(shí)現(xiàn)了高靈敏穩(wěn)定的X射線(xiàn)成像。
　　相關(guān)成果發(fā)表在Matter上。該工作同時(shí)得到美國(guó)西北大學(xué)教授Mercouri G. Kanatzidis團(tuán)隊(duì)和西安交通大學(xué)教授劉明團(tuán)隊(duì)的支持和幫助，得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)國(guó)家重點(diǎn)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目、陜西省科技創(chuàng)新引導(dǎo)項(xiàng)目等的資助。
　　0D結(jié)構(gòu)非鉛鈣鈦礦單晶用于高分辨X射線(xiàn)成像