杨斌、肖汉宁教授在CsPbBr3钙钛矿单晶X射线探测器研究方向取得新进展

近日，我院杨斌教授、肖汉宁教授与华中科技大学唐江教授团队在CsPbBr₃钙钛矿单晶生长及其在X射线探测器应用方面开展合作研究，开发出了具有高灵敏度的基于铷（Rb）掺杂的CsPbBr₃钙钛矿单晶X射线探测器，相关研究成果以题为“Rubidium Doping to Enhance Carrier Transport in CsPbBr₃Single Crystals for High-Performance X-Ray Detection”发表在材料领域国际重要学术期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》(IF=8.456)上。

X射线探测器在安检、医学检测和工业探伤等领域都发挥着重要作用。近年来，有机-无机杂化钙钛矿材料（例如CH₃NH₃PbX₃，X = I，Br，Cl）被发现有较好的X射线探测性能，然而由于杂化钙钛矿材料中有机和无机组分之间的结合力较弱，导致该材料的耐湿耐热性能较差，对X射线探测器的寿命有一定影响。CsPbBr₃是一种具有直接带隙的全无机钙钛矿材料，耐湿耐热性能较好，并且有较强的X射线吸收能力以及较高的载流子迁移率/寿命乘积（μτ），原材料来源丰富，制备成本低，在X射线探测方面有比较高的应用价值。

研究人员采用升温析晶溶液方法生长了高质量CsPbBr₃单晶，通过在CsPbBr₃的Cs位掺杂原子尺寸更小的Rb，可增强PbBr₆八面体中Pb和Br原子之间的轨道耦合作用，提高载流子传输效率，降低缺陷浓度，从而提高CsPbBr₃单晶的电阻率和μτ乘积。

图1.Rb掺杂对CsPbBr₃单晶光学性能的影响。

研究人员通过将一定比例的Rb掺入CsPbBr₃单晶，并将其制备成具有光导型结构的X射线探测器，进一步通过对电学性能和X射线探测性能的表征分析发现，少量（0.037%）铷掺杂可提高CsPbBr₃单晶X射线探测器的灵敏度。对比不掺杂的CsPbBr₃，0.037%铷掺杂可将μτ乘积从4.9×10^-4cm²V^-1提高到7.2×10^-4cm²V^-1，并将X射线灵敏度从918 μC Gy_air^-1cm^-2提高到8097μC Gy_air^-1cm^-2。该工作开发了一种在铅卤钙钛矿X射线探测器中通过化学掺杂提高X射线探测性能的新方法，并且铅卤钙钛矿CsPbBr₃单晶是通过低成本的低温溶液法生长出来的，这与过去研究中采用的高温烧结法不同，这为开发低成本、高性能的铅卤钙钛矿结构单晶X射线探测器提供了新思路。

图2Rb掺杂对CsPbBr₃单晶X射线探测器的X射线探测性能的影响。

湖南大学材料科学与工程学院为论文第一单位，我院博士生李骏驰和华中科技大学博士生杜鑫源为共同第一作者，杨斌教授、肖汉宁教授和华中科技大学牛广达副教授为共同通讯作者。

链接： https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b14772