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我院沈亮教授团队在X射线探测材料、器件与系统领域取得重要进展

时间:2022年07月21日 09:10:26 发表部门: 点击次数:

日前,吉林大学电子科学与工程学院、集成光电子学国家重点实验室、未来科学国际合作联合实验室沈亮教授团队在《自然·光子学》(Nature Photonics (2022), https://doi.org/10.1038/s41566-022-01024-9)发表题为“Synergistic strain engineering of perovskite single crystals for highly stable and sensitive X-ray detectors with low-bias imaging and monitoring”的研究工作。该论文提出了协同作用下钙钛矿材料(ABX3)的组分优化方案进而调控晶体的缺陷态密度,合成并制作出的单晶探测器具有优异的X射线探测性能、高分辨的成像质量和长期的工作稳定性。最终,研制出的原型样机在低电压驱动条件下,展示出了灵敏和快速的环境监测能力,为发展下一代的低功耗、低剂量、高分辨的X射线探测提供了新思路和新策略。

X射线探测器是一类接收X射线并将其转化为电信号的装置,可实现对生物体、金属等样品内部细微结构的准确探测,被广泛应用于医疗、科研、核工业以及航天航空等领域。实现低辐射剂量、高成像质量和快成像速度是下一代X射线探测应用的核心目标。当前,基于非晶硒、碲化镉等半导体材料的X 射线探测器广泛应用于上述领域,但是探测灵敏度低和集成难度大等问题,难以进一步满足需求。因此,探寻和开发具有更高性能的新型X射线探测材料与器件,满足国家重大战略需求和市场需求,具有重要研究意义和商业前景。卤化钙钛矿材料是一种结构式为ABX3的光电活性材料,具有优异的载流子输运特性、低成本的制备工艺等特点,在光电器件领域展示出强劲的发展态势。同时,凭借X射线吸收系数大、载流子迁移率寿命积高、可直接探测成像等优势,钙钛矿晶体在X射线探测方面异军突起,展现出比其他光电器件更接近实用化的可能。目前,甲胺体系的钙钛矿单晶X射线探测性能较好,但甲胺的易挥发性导致器件长期稳定性差。无甲胺钙钛矿单晶材料(如CsFA体系)稳定性获得提升,但是混合阳离子材料体系缺陷态密度高、光电性能差,这一矛盾严重阻碍了市场化的应用进程。

针对以上难题,沈亮教授研究团队和合作者,提出一种A位和B位协同作用的组分调控方案降低晶体缺陷密度,合成和制作出同时具有高稳定性和高性能的X射线探测材料与器件,成功实现低偏置电压驱动的成像和检测应用。A位和B位协同作用是通过在ABX3A位引入特定的大有机胺胍离子,通过形成氢键有效提高卤素(X位)空位的形成能,并在B位阳离子中引入低浓度的碱土金属离子掺杂剂,提高B位空位的形成能,抑制A位阳离子通过形成空位释放微应力的副作用。团队成功制备出主要掺杂组分为CsFAGA:Sr的钙钛矿单晶,通过理论计算、晶体结构表征以及性能分析等多角度证实了A位和B位的协同作用,揭示了降低多组分单晶的缺陷态密度和提升光电性能及稳定性的作用机理。通过器件结构设计和优化,在1 V cm-1的低电场下获得高达2.7 × 104 µC Gyair-1 cm-2的灵敏度以及低至7.09 nGyair s-1的检测下限,实验室连续5小时工作测试性能保持稳定,180天抽样测试性能几乎没有衰减,展现出了优异的X射线探测性能和长期稳定性。最终,以CsFAGA:Sr钙钛矿探测器为核心元件,团队开发出低功耗、便携式辐射监测系统,并且实现了对IC卡片内部金属线路的高分辨成像。这项工作,表明A位和B位协同作用下的组分调控方案,在提升钙钛矿材料的探测器件性能的巨大价值,并为发展下一代低剂量、高分辨、高动态范围的X射线探测提供了研究基础。

上述研究成果的第一完成单位是吉林大学,研究工作得到了南昌大学、瑞典林雪平大学、香港理工大学、中国工程物理研究院化工材料研究所等多个课题组和多家测试单位的支持与帮助。论文的共同第一作者为吉林大学硕士研究生姜继忠和南昌大学硕士研究生熊敏,共同通讯作者为吉林大学沈亮教授、南昌大学姚凯副教授和瑞典林雪平大学的高峰教授。本工作得到了国家自然科学基金、吉林省重点研发计划等项目的资助,已申请国家发明专利。

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图:钙钛矿单晶组分调控设计方案及探测器性能和应用展示



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