近日,我院胡芹研究员课题组在钙钛矿半导体X射线探测器研究中取得新进展。针对用于X射线探测的非铅铋基钙钛矿半导体传统制备方法存在的缺陷密度高、器件性能差的问题,该课题组开发了PPG成核调控策略(PCN策略)成功生长了缺陷更少、结晶性更好的Cs3Bi2I9单晶,制备了探测和成像性能更好的X射线探测器。相关成果以“Defect mitigation in lead-free Cs3Bi2I9 single crystals for high performance X-ray detection and imaging”为题发表于电子学知名期刊《IEEE Electron Device Letters》上(DOI: 10.1109/LED.2024.3391272)。
X射线探测器在工业探伤、能源勘探、医学影像、安检安防、科学研究和空间探测等关系国计民生的领域至关重要,但目前商用的半导体材料如Si、a-Se等多存在X射线吸收系数低、载流子传输性能差等问题,X射线探测成像性能的提升受到限制。作为一种新兴的半导体材料,钙钛矿半导体因其高X射线吸收系数、高载流子传输率在X射线探测领域具有优势,特别是全无机非铅铋基钙钛矿Cs3Bi2I9能够克服钙钛矿普遍存在的稳定性差、离子迁移严重、含毒性铅元素等问题。然而,传统方法制备的Cs3Bi2I9单晶器件探测性能指标较低,存在缺陷密度高、结晶生长难以调控等问题,制约了器件应用和产业化大规模制备进程。因此,制备安全无毒、稳定性高、晶体缺陷少、探测灵敏度高的钙钛矿X射线探测器具有重大的科学价值和实际意义。
为解决上述问题,该课题组开发了一种低成本、简单高效的Cs3Bi2I9单晶制备方法,创新性地在Cs3Bi2I9单晶生长过程中引入聚丙二醇(PPG)作为单晶成核调控剂生长了更高质量的单晶,有效地实现了单晶缺陷密度的降低(图1a,b)和结晶质量的提升(图1c)。调控的Cs3Bi2I9单晶缺陷态密度低至3.51×109 cm-3(图1d),器件暗电流低至几十pA量级,电阻提升至2.59×1010 Ω·cm(图1e),载流子迁移率-寿命乘积(μτ)高达1.61×10-3 cm2·V-1(图1f),与对照组单晶(Control-SC)相比各个参数均有较明显的改善。此外,基于PCN单晶制备的“金属-半导体-金属”结构的X射线探测器也具有较好的性能,40 V·mm-1电场下的灵敏度达173.9 μC·Gyair-1·cm-2,是对照组器件的近10倍(图1g),显著优于商用a-Se探测器的性能(20 μC·Gyair-1·cm-2 @ 10000 V·mm-1)。同时器件的检测限低至1.57 μGyair·s-1(图1h),低于现有医学诊断所用X射线的最低剂量率(5.5 μGyair·s-1)。此外,使用PCN单晶制备了X射线探测阵列,对刻着“U”“S”“T”“C”的字母铅板进行成像,成像结果清晰可见(图1i),展现出PCN单晶X射线探测器良好的成像性能。本工作开发了Cs3Bi2I9单晶生长的新方法,展现了高质量Cs3Bi2I9单晶在X射线探测成像的应用潜力。
图1. (a)对照组Cs3Bi2I9单晶和(b)PCN单晶的实物图(右上)和光学显微镜图片,(c)两种单晶上表面的(006)晶面XRD摇摆曲线分析,(d)空间电荷限制电流方法计算PCN单晶的缺陷态密度,(e)两种单晶器件的暗电流曲线及计算的电阻率,(f)拟合两种单晶的光电导曲线得到μτ值,(g)两种单晶器件在不同电场下的灵敏度,(h)PCN单晶器件的信噪比与X射线剂量率的关系,线性外推得到器件的检测限和(i)Cs3Bi2I9单晶X射线探测阵列成像结果。
我院硕士研究生刘家阳为该论文第一作者,学院胡芹特任研究员为该论文通讯作者。相关研究得到了中央高校基本科研业务费专项资金、同步辐射联合基金、核探测与核电子学国家重点实验室开放课题等项目的资助,同时也得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心、中国科学技术大学理化科学实验中心、中国科学技术大学国家同步辐射实验室的支持。
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