研究背景
随着医学成像和产品检测技术的发展，X射线检测因其能够提供高分辨率和高精度的成像效果而受到广泛关注。在众多X射线探测材料中，卤化物钙钛矿由于其优异的光电转换效率和低成本制备优势，成为了研究的热点。然而，钙钛矿材料在实际应用中存在离子迁移问题，这会导致探测器的噪声增大和基线漂移，从而显著降低X射线检测和成像性能。这一问题在高能X射线检测中尤为突出，因为高能X射线会加剧离子迁移现象，导致探测器的灵敏度下降和检测限提高。钙钛矿X射线探测器的研究难点在于如何平衡高灵敏度和低检测限，同时解决离子迁移带来的性能下降问题。为了克服这些挑战，研究者们提出了多种解决策略，包括改进材料合成方法、优化材料结构和引入离子迁移抑制措施。近年来，气氛控制的气氛导模法（EFG）技术被引入到钙钛矿单晶的制备中，以期提高其电学性能和稳定性。这种技术通过在特定气氛中生长形状控制的钙钛矿单晶，可以有效降低材料的缺陷态密度，提高电阻率，增加离子迁移的活化能，从而减少漏电流和基线漂移。有鉴于此，山东大学陶绪堂教授、张国栋教授等人合作在“Nature Photonics”期刊上发表了题为“Suppressed ion migration for high-performance X-ray detectors based on atmosphere-controlled EFG-grown perovskite CsPbBr3 single crystals”的最新论文。他们采用了气氛导模法（EFG技术）在HBr和Ar混合气氛中生长出了高质量的CsPbBr3单晶，从而解决了低电阻率和强离子迁移的问题。 与传统的垂直布里奇曼法生长的CsPbBr3单晶相比，EFG-CsPbBr3单晶表现出更低的缺陷态密度、更高的电阻率（1.61 × 1010 Ω cm）和更大的离子迁移活化能（0.378 eV）。这些改进显著降低了漏电流和基线漂移，使得基于EFG-CsPbBr3单晶的X射线探测器在高电场（5,000 V cm-1）下展现出优异的平衡性能，包括极低的暗电流漂移（1.68 × 10-9 μA cm-1 s-1 V-1）、极低的检测限（10.81 nGyair s-1）以及高灵敏度（46,180 μC Gyair-1 cm-2）。此外，该探测器在30天内保持稳定响应，展示了其长期使用的潜力。
研究亮点
1. 实验首次采用气氛导模法（EFG）技术生长出了高质量的CsPbBr3单晶（SCs），并成功实现了在Ar和HBr混合气氛中的生长。这种方法显著改善了单晶的质量和性能。2. 实验通过与垂直布里奇曼法生长的CsPbBr3单晶对比，发现气氛导模法在HBr和Ar混合气氛中的单晶具有更低的缺陷态密度、更高的电阻率（1.61 × 1010 Ω cm）以及更大的离子迁移活化能（0.378 eV）。这些改进降低了漏电流和基线漂移，从而提升了探测器的性能。 3. 结果表明基于EFG-CsPbBr3单晶的X射线探测器表现出优异的性能，包括极低的暗电流漂移（1.68 × 10-9 μA cm-1 s-1 V-1）、极低的检测限（10.81 nGyair s-1），以及在5,000 V cm-1高电场下的高灵敏度（46,180 μC Gyair-1 cm-2）。此外，探测器在无封装的情况下能够稳定响应30天。
图文解读
图1：导模法edge-defined film-fed growth，EFG生长的CsPbBr3单晶single crystals，SCs。 图2：导模法EFG-CsPbBr3和垂直Bridgman法VB-CsPbBr3的光电性能比较。 图3：导模法EFG-CsPbBr3和垂直Bridgman法VB-CsPbBr3的离子迁移特性。
总结展望
本文的研究通过气氛导模法在HBr和Ar混合气氛中（EFG）成功地提高了CsPbBr3单晶的质量，显著降低了缺陷态密度，并提高了电阻率和离子迁移活化能。这些改进有效减少了探测器的漏电流和基线漂移，从而优化了X射线检测性能。其次，研究表明，在高电场下，基于EFG-CsPbBr3单晶的探测器展现出了极低的暗电流漂移和检测限，显示了其在高能X射线检测中的优异表现。该探测器在长达30天的稳定运行中，继续维持了良好的性能。总的来说，这些发现表明，通过精确控制材料生长条件，可以显著提高钙钛矿探测器的性能。这为未来钙钛矿X射线探测器的设计和优化提供了宝贵的经验，并有望推动该领域在医学成像和工业检测中的实际应用。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
