研究背景
隨著現(xiàn)代科技的不斷進步，X射線探測技術(shù)在醫(yī)學(xué)成像、安全檢查、無損檢測和科學(xué)研究等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。特別是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體直接探測器由于其高空間分辨率和簡便的系統(tǒng)配置而受到越來越多的關(guān)注。與傳統(tǒng)的閃爍體間接探測器相比，半導(dǎo)體直接探測器在提高靈敏度、降低暗電流和降低檢測限等方面具有明顯優(yōu)勢。然而，盡管鹵化物鈣鈦礦由于其高X射線吸收系數(shù)、低陷阱密度和良好的制造工藝被認為是具有巨大潛力的半導(dǎo)體材料，但在實現(xiàn)高靈敏度、低暗電流和低檢測限這三項指標的最佳平衡仍然面臨挑戰(zhàn)。這一挑戰(zhàn)的根本原因在于材料的遷移率-壽命（μτ）乘積與電阻率之間的權(quán)衡。高靈敏度要求材料具有大的μτ乘積，而低暗電流和低檢測限則要求高電阻率，即低載流子遷移率（μ）和濃度（n）。這導(dǎo)致了材料性能在這三項指標之間存在一種權(quán)衡關(guān)系，使得在單一材料中實現(xiàn)所有這些優(yōu)異性能變得困難。為了解決這一問題，研究者們提出了多種策略來提高材料的載流子壽命，從而突破性能的上限。一個有效的策略是利用間接帶躍遷或降低帶邊緣的軌道對稱性，以減少電子和空穴的軌道重疊，進而延長載流子壽命。然而，典型的鉛鹵化物鈣鈦礦通常具有直接允許的躍遷和s-p雜化軌道，這使得它們難以實現(xiàn)超長的載流子壽命。針對這些挑戰(zhàn)，江西理工大學(xué)葉恒云教授課題組聯(lián)合華中科技大學(xué)牛廣達教授課題組在“Nature Photonics”期刊上發(fā)表了題為“Anti-perovskites with long carrier lifetime for ultralow dose and stable X-ray detection”的最新論文。聯(lián)合團隊合成了一種新型的有機-無機混合反鈣鈦礦（(2-Habch)3Cl(PtI6)），該材料具有間接帶躍遷和帶邊緣低軌道對稱性。這一設(shè)計顯著減少了電子-空穴波函數(shù)的重疊，從而實現(xiàn)了前所未有的超長載流子壽命（>3 ms）。該研究不僅打破了μτ乘積與電阻率之間的傳統(tǒng)權(quán)衡，還實現(xiàn)了高電阻率（1012 Ω cm）和高μτ乘積（6.25 × 10?3 cm2 V?1）。通過這些創(chuàng)新，本研究解決了如何在同一材料中同時實現(xiàn)高靈敏度、低暗電流和低檢測限的問題，展示了反鈣鈦礦基X射線探測器在這些性能指標上的卓越表現(xiàn)，為新一代X射線探測系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的技術(shù)路徑。
研究亮點
1. 實驗首次合成了有機-無機混合反鈣鈦礦（(2-Habch)3Cl(PtI6)），并觀察到該材料具有超長的載流子壽命（>3 ms）。這一壽命是現(xiàn)有鈣鈦礦晶體的十倍以上，標志著在材料內(nèi)在壽命方面取得了重大突破。2. 實驗通過降低帶邊緣的軌道對稱性和采用間接躍遷策略，有效減少了電子與空穴波函數(shù)的重疊，從而實現(xiàn)了超長的內(nèi)在載流子壽命。這種材料的μτ乘積達到了6.25 × 10?3 cm2 V?1，電阻率為1012 Ω cm，超越了大多數(shù)現(xiàn)有的X射線探測材料。 3. 基于(2-Habch)3Cl(PtI6)材料的X射線探測器展現(xiàn)出以下優(yōu)異性能：超低暗電流（0.21 nA cm?2）、高靈敏度（1.0 × 10? μC Gyair?1 cm?2）、超低檢測限（2.4 nGyair s?1）以及優(yōu)良的操作穩(wěn)定性（無明顯的基線漂移）。
圖文解讀
圖1：反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和載流子壽命表征。 圖2：(2-Habch)3Cl(PtI6)能帶結(jié)構(gòu)。 圖3：(2-Habch)3Cl(PtI6) 電學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性表征。 圖 4: (2-Habch)3Cl(PtI6) X射線探測器的性能。
總結(jié)展望
本文的研究展示了有機-無機混合反鈣鈦礦（(2-Habch)3Cl(PtI6)）在X射線探測中的優(yōu)異性能，揭示了提高探測器性能的新策略。傳統(tǒng)鈣鈦礦材料在高靈敏度與低暗電流、低檢測限之間存在權(quán)衡，而本文通過引入間接躍遷和低軌道對稱性，成功打破了這一限制，實現(xiàn)了超長載流子壽命（>3 ms），顯著提高了材料的μτ乘積和電阻率。這一創(chuàng)新突破了傳統(tǒng)鈣鈦礦的性能瓶頸，使得新材料在暗電流、靈敏度、檢測限等方面均優(yōu)于現(xiàn)有探測器。通過調(diào)控材料的躍遷特性和帶邊緣的軌道對稱性，可以有效提升載流子壽命，并優(yōu)化探測性能。此外，研究表明，反鈣鈦礦具有優(yōu)異的輻射探測能力，展示了其在高性能X射線探測器中的應(yīng)用潛力。未來的研究可以進一步探索如何利用類似的材料設(shè)計方法來解決其他半導(dǎo)體器件中的性能問題，從而推動新一代探測器及其應(yīng)用的發(fā)展。 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
