仪器情报,科学家研发高性能反钙钛矿X射线探测器!
【科学背景】随着X射线探测技术的不断发展,如何提高探测器的性能成为了研究的热点。X射线在医学成像、安全筛查、无损检测和科学研究等领域中扮演着至关重要的角色,因此开发高性能的X射线探测器对于提升这些应用的准确性和效率具有重要意义。在各种探测技术中,半导体直接探测器因其高空间分辨率和简便的系统配置而被广泛关注。特别是卤化物钙钛矿因其优异的X射线吸收系数、低陷阱密度和较高的迁移率-寿命(μτ)乘积,成为了高度灵敏的X射线探测材料的有力候选者。然而,尽管钙钛矿材料在灵敏度和探测性能方面表现优异,但在实际应用中仍面临着许多挑战。首先,三维(3D)钙钛矿通常存在高暗电流、高检测限以及严重的离子迁移问题,而低维钙钛矿则表现出电荷传输受限、X射线灵敏度较低的问题。这些问题使得将所有所需的探测器性能集成到单一材料中变得十分困难。在半导体物理的角度,高灵敏度需要大的μτ乘积,而低暗电流和低检测限则要求高电阻率。由于材料的μτ乘积和电阻率之间存在权衡,材料的载流子寿命和浓度比值(τ/n)定义了性能的上限,因此,突破这一权衡需要提高材料的内在载流子寿命。为了解决这些挑战,江西理工大学叶恒云教授课题组联合华中科技大学牛广达教授课题组携手提出了一种新型有机-无机混合反钙钛矿((2-Habch)3Cl(PtI2)),该材料具有间接跃迁和带边缘低轨道对称性的特征。通过减少电子和空穴波函数的重叠,这种材料实现了前所未有的超长载流子寿命(3 ms),打破了μτ乘积和电阻率之间的权衡。具体而言,(2-Habch)3Cl(PtI2)展现了6.25 × 10&minus 3 cm² V&minus 1的高μτ乘积和1012 Ω cm的高电阻率,使得该材料在X射线探测器中实现了超低暗电流(0.21 nA cm&minus 2)、高灵敏度(1.0 × 10⁴ µ C Gyair&minus 1 cm&minus 2)、超低检测限(2.4 nGyair s&minus 1)和优良的操作稳定性。这些突破性进展为下一代X射线探测系统的发展奠定了坚实的基础。【仪器亮点】1. 实验首次合成了有机-无机混合反钙钛矿((2-Habch)3Cl(PtI2)),并获得了超长载流子寿命 3 ms。这种反钙钛矿材料具有间接跃迁和低轨道对称性,使其能够突破传统材料的性能极限。2. 实验通过优化材料的电子-空穴波函数重叠,显著提高了其μτ乘积,达到6.25 × 10&minus 3 cm² V&minus 1,并实现了高电阻率(1012 Ω cm)。这些改进使得该材料在X射线探测方面表现出卓越的性能,包括超低暗电流(0.21 nA cm&minus 2)、高灵敏度(1.0 × 10⁴ µ C Gyair&minus 1 cm&minus 2)、超低检测限(2.4 nGyair s&minus 1)和优良的操作稳定性(无基线漂移),超越了现有的钙钛矿单晶探测器。【科学图文】图1:反钙钛矿结构和载流子寿命表征。图2:(2-Habch)3Cl(PtI2)能带结构。图3:(2-Habch)3Cl(PtI2) 电学性质和稳定性表征。图 4: (2-Habch)3Cl(PtI2) X射线探测器的性能。【科学结论】本文的研究揭示了在X射线探测领域中,打破材料性能权衡的新途径。传统的钙钛矿材料在实现高灵敏度的同时,往往面临高暗电流和高检测限的问题,这主要由于材料的迁移率-寿命(μτ)乘积与电阻率之间的权衡。本文通过设计和合成一种新型有机-无机混合反钙钛矿((2-Habch)3Cl(PtI2)),成功突破了这一性能限制。该材料具有间接跃迁和低轨道对称性,显著延长了载流子寿命(超过3毫秒),从而在提高μτ乘积的同时保持了极高的电阻率。这种突破使得新型X射线探测器在低暗电流、高灵敏度和超低检测限等多个性能指标上表现优异,超越了现有的钙钛矿单晶探测器。本文的成果不仅展示了反钙钛矿材料在X射线探测应用中的巨大潜力,也为未来开发新一代高性能探测器提供了新的思路和技术路径,推动了探测材料的科学研究与应用进步。参考文献:Liu, L., Liu, SY., Shi, Y. et al. Anti-perovskites with long carrier lifetime for ultralow dose and stable X-ray detection. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01482-3