近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所薄膜硅太陽電池研究組研究員劉生忠團隊與陜西師范大學(xué)博士張云霞、劉渝城等合作，在高溫下穩(wěn)定工作的類鈣鈦礦單晶X射線探測器研究中取得進展。

X射線探測器廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)無損檢測、安全檢查等領(lǐng)域。現(xiàn)用于X射線探測的材料普遍存在制備溫度高、工藝復(fù)雜、成本高等特點。近幾年，低成本、制備工藝簡單的有機無機雜化鉛鹵鈣鈦礦在直接X射線探測方面已展現(xiàn)出優(yōu)異的性質(zhì)，如X射線吸收系數(shù)高、檢測限低以及靈敏度高等。

目前，有機無機雜化鉛鹵鈣鈦礦要實現(xiàn)進一步應(yīng)用還存在以下幾個挑戰(zhàn)：（1）含有大量的高毒性鉛，會限制其廣泛應(yīng)用；（2）含有有機組分，其熱穩(wěn)定性較差；（3）離子遷移率高，使得制備的器件工作穩(wěn)定性差，尤其是需要在高電場下工作的X射線探測器，離子遷移導(dǎo)致非常明顯的響應(yīng)不穩(wěn)定性；（4）體電阻率低，使得器件產(chǎn)生較高的暗電流。以上幾個問題極大地限制了有機無機雜化鈣鈦礦材料在X射線探測方面的應(yīng)用。

全無機Cs3Bi2I9單晶具有熱穩(wěn)定性好（550 ℃不分解）、不含高毒性鉛、離子遷移率低和體電阻率高等特點，很好地解決了有機無機鉛鹵鈣鈦礦存在的不足。然而，Cs3Bi2I9的結(jié)構(gòu)為缺陷型鈣鈦礦，這種材料在低溫溶液中一旦達到臨界點，極易成核，即在存在優(yōu)勢晶核的條件下，也會繼續(xù)大量成核，難以控制。因此，低溫溶液法生長大尺寸、高質(zhì)量的Cs3Bi2I9晶體存在一定的挑戰(zhàn)。針對這一難點，團隊開發(fā)了一種成核控制的低溫溶液法來培養(yǎng)大尺寸的Cs3Bi2I9鈣鈦礦單晶。利用該技術(shù)，成功獲得厘米級大小的高質(zhì)量單晶。更重要的是，Cs3Bi2I9單晶具有X射線吸收效率高、缺陷態(tài)密度低、離子遷移率低、噪聲電流低等優(yōu)勢，因此，使用Cs3Bi2I9單晶制備的探測器對X射線表現(xiàn)出較高的探測性能。在50 Vmm-1的電場強度下，Cs3Bi2I9單晶X射線探測器的靈敏度達到1652.3 μCGyair-1cm-2，檢測限為130 nGyairs-1。該器件具有穩(wěn)定的基線和輸出信號，展現(xiàn)出優(yōu)異的成像能力。此外，Cs3Bi2I9單晶優(yōu)異的熱穩(wěn)定性保證了該單晶X射線探測器在100 ℃高溫下也可以穩(wěn)定工作。該研究使用了一種簡單方法培養(yǎng)大尺寸鈣鈦礦單晶，有助于推動鈣鈦礦材料在X射線探測方面的應(yīng)用。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》上（Nature Communications）。該工作得到國家自然科學(xué)基金項目、中國國家重點研究與發(fā)展計劃項目、陜西省科技創(chuàng)新引導(dǎo)項目等的資助。 

基于Cs3Bi2I9單晶的X射線探測器