研究背景
随着现代科技的不断进步，X射线探测技术在医学成像、安全检查、无损检测和科学研究等领域的应用越来越广泛。特别是随着半导体技术的发展，半导体直接探测器由于其高空间分辨率和简便的系统配置而受到越来越多的关注。与传统的闪烁体间接探测器相比，半导体直接探测器在提高灵敏度、降低暗电流和降低检测限等方面具有明显优势。然而，尽管卤化物钙钛矿由于其高X射线吸收系数、低陷阱密度和良好的制造工艺被认为是具有巨大潜力的半导体材料，但在实现高灵敏度、低暗电流和低检测限这三项指标的最佳平衡仍然面临挑战。这一挑战的根本原因在于材料的迁移率-寿命（μτ）乘积与电阻率之间的权衡。高灵敏度要求材料具有大的μτ乘积，而低暗电流和低检测限则要求高电阻率，即低载流子迁移率（μ）和浓度（n）。这导致了材料性能在这三项指标之间存在一种权衡关系，使得在单一材料中实现所有这些优异性能变得困难。为了解决这一问题，研究者们提出了多种策略来提高材料的载流子寿命，从而突破性能的上限。一个有效的策略是利用间接带跃迁或降低带边缘的轨道对称性，以减少电子和空穴的轨道重叠，进而延长载流子寿命。然而，典型的铅卤化物钙钛矿通常具有直接允许的跃迁和s-p杂化轨道，这使得它们难以实现超长的载流子寿命。针对这些挑战，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在“Nature Photonics”期刊上发表了题为“Anti-perovskites with long carrier lifetime for ultralow dose and stable X-ray detection”的最新论文。联合团队合成了一种新型的有机-无机混合反钙钛矿（(2-Habch)3Cl(PtI6)），该材料具有间接带跃迁和带边缘低轨道对称性。这一设计显著减少了电子-空穴波函数的重叠，从而实现了前所未有的超长载流子寿命（>3 ms）。该研究不仅打破了μτ乘积与电阻率之间的传统权衡，还实现了高电阻率（1012 Ω cm）和高μτ乘积（6.25 × 10−3 cm² V−1）。通过这些创新，本研究解决了如何在同一材料中同时实现高灵敏度、低暗电流和低检测限的问题，展示了反钙钛矿基X射线探测器在这些性能指标上的卓越表现，为新一代X射线探测系统的发展提供了新的技术路径。
研究亮点
1. 实验首次合成了有机-无机混合反钙钛矿（(2-Habch)3Cl(PtI6)），并观察到该材料具有超长的载流子寿命（>3 ms）。这一寿命是现有钙钛矿晶体的十倍以上，标志着在材料内在寿命方面取得了重大突破。2. 实验通过降低带边缘的轨道对称性和采用间接跃迁策略，有效减少了电子与空穴波函数的重叠，从而实现了超长的内在载流子寿命。这种材料的μτ乘积达到了6.25 × 10−3 cm² V−1，电阻率为1012 Ω cm，超越了大多数现有的X射线探测材料。 3. 基于(2-Habch)3Cl(PtI6)材料的X射线探测器展现出以下优异性能：超低暗电流（0.21 nA cm−2）、高灵敏度（1.0 × 10⁴ µC Gyair−1 cm−2）、超低检测限（2.4 nGyair s−1）以及优良的操作稳定性（无明显的基线漂移）。
图文解读
图2：(2-Habch)3Cl(PtI6)能带结构。 图3：(2-Habch)3Cl(PtI6) 电学性质和稳定性表征。 图 4: (2-Habch)3Cl(PtI6) X射线探测器的性能。
总结展望
本文的研究展示了有机-无机混合反钙钛矿（(2-Habch)3Cl(PtI6)）在X射线探测中的优异性能，揭示了提高探测器性能的新策略。传统钙钛矿材料在高灵敏度与低暗电流、低检测限之间存在权衡，而本文通过引入间接跃迁和低轨道对称性，成功打破了这一限制，实现了超长载流子寿命（>3 ms），显著提高了材料的μτ乘积和电阻率。这一创新突破了传统钙钛矿的性能瓶颈，使得新材料在暗电流、灵敏度、检测限等方面均优于现有探测器。通过调控材料的跃迁特性和带边缘的轨道对称性，可以有效提升载流子寿命，并优化探测性能。此外，研究表明，反钙钛矿具有优异的辐射探测能力，展示了其在高性能X射线探测器中的应用潜力。未来的研究可以进一步探索如何利用类似的材料设计方法来解决其他半导体器件中的性能问题，从而推动新一代探测器及其应用的发展。 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
