研究背景
隨著醫學成像和產品檢測技術的發展，X射線檢測因其能夠提供高分辨率和高精度的成像效果而受到廣泛關注。在眾多X射線探測材料中，鹵化物鈣鈦礦由于其優異的光電轉換效率和低成本制備優勢，成為了研究的熱點。然而，鈣鈦礦材料在實際應用中存在離子遷移問題，這會導致探測器的噪聲增大和基線漂移，從而顯著降低X射線檢測和成像性能。這一問題在高能X射線檢測中尤為突出，因為高能X射線會加劇離子遷移現象，導致探測器的靈敏度下降和檢測限提高。鈣鈦礦X射線探測器的研究難點在于如何平衡高靈敏度和低檢測限，同時解決離子遷移帶來的性能下降問題。為了克服這些挑戰，研究者們提出了多種解決策略，包括改進材料合成方法、優化材料結構和引入離子遷移抑制措施。近年來，氣氛控制的氣氛導模法（EFG）技術被引入到鈣鈦礦單晶的制備中，以期提高其電學性能和穩定性。這種技術通過在特定氣氛中生長形狀控制的鈣鈦礦單晶，可以有效降低材料的缺陷態密度，提高電阻率，增加離子遷移的活化能，從而減少漏電流和基線漂移。有鑒于此，山東大學陶緒堂教授、張國棟教授等人合作在“Nature Photonics”期刊上發表了題為“Suppressed ion migration for high-performance X-ray detectors based on atmosphere-controlled EFG-grown perovskite CsPbBr3 single crystals”的最新論文。他們采用了氣氛導模法（EFG技術）在HBr和Ar混合氣氛中生長出了高質量的CsPbBr3單晶，從而解決了低電阻率和強離子遷移的問題。 與傳統的垂直布里奇曼法生長的CsPbBr3單晶相比，EFG-CsPbBr3單晶表現出更低的缺陷態密度、更高的電阻率（1.61 × 1010 Ω cm）和更大的離子遷移活化能（0.378 eV）。這些改進顯著降低了漏電流和基線漂移，使得基于EFG-CsPbBr3單晶的X射線探測器在高電場（5,000 V cm-1）下展現出優異的平衡性能，包括極低的暗電流漂移（1.68 × 10-9 μA cm-1 s-1 V-1）、極低的檢測限（10.81 nGyair s-1）以及高靈敏度（46,180 μC Gyair-1 cm-2）。此外，該探測器在30天內保持穩定響應，展示了其長期使用的潛力。
研究亮點
1. 實驗首次采用氣氛導模法（EFG）技術生長出了高質量的CsPbBr3單晶（SCs），并成功實現了在Ar和HBr混合氣氛中的生長。這種方法顯著改善了單晶的質量和性能。2. 實驗通過與垂直布里奇曼法生長的CsPbBr3單晶對比，發現氣氛導模法在HBr和Ar混合氣氛中的單晶具有更低的缺陷態密度、更高的電阻率（1.61 × 1010 Ω cm）以及更大的離子遷移活化能（0.378 eV）。這些改進降低了漏電流和基線漂移，從而提升了探測器的性能。 3. 結果表明基于EFG-CsPbBr3單晶的X射線探測器表現出優異的性能，包括極低的暗電流漂移（1.68 × 10-9 μA cm-1 s-1 V-1）、極低的檢測限（10.81 nGyair s-1），以及在5,000 V cm-1高電場下的高靈敏度（46,180 μC Gyair-1 cm-2）。此外，探測器在無封裝的情況下能夠穩定響應30天。
圖文解讀
圖1：導模法edge-defined film-fed growth，EFG生長的CsPbBr3單晶single crystals，SCs。 圖2：導模法EFG-CsPbBr3和垂直Bridgman法VB-CsPbBr3的光電性能比較。 圖3：導模法EFG-CsPbBr3和垂直Bridgman法VB-CsPbBr3的離子遷移特性。
總結展望
本文的研究通過氣氛導模法在HBr和Ar混合氣氛中（EFG）成功地提高了CsPbBr3單晶的質量，顯著降低了缺陷態密度，并提高了電阻率和離子遷移活化能。這些改進有效減少了探測器的漏電流和基線漂移，從而優化了X射線檢測性能。其次，研究表明，在高電場下，基于EFG-CsPbBr3單晶的探測器展現出了極低的暗電流漂移和檢測限，顯示了其在高能X射線檢測中的優異表現。該探測器在長達30天的穩定運行中，繼續維持了良好的性能。總的來說，這些發現表明，通過精確控制材料生長條件，可以顯著提高鈣鈦礦探測器的性能。這為未來鈣鈦礦X射線探測器的設計和優化提供了寶貴的經驗，并有望推動該領域在醫學成像和工業檢測中的實際應用。YWang, Y., Sarkar, S., Yan, H. et al. Critical challenges in the development of electronics based on two-dimensional transition metal dichalcogenides. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01210-3
