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陶绪堂教授、张国栋教授团队在“自然 光子学”发表钙钛矿晶体生长及高性能X射线探测研究成果

发布日期:2024年07月30日 11:45 点击次数:

[本站讯]近日,晶体材料国家重点实验室陶绪堂教授、张国栋教授团队在卤化物钙钛矿单晶生长及高性能X射线探测的研究中取得重要进展,相关研究成果以“Suppressed ion migration for high-performance X-ray detectors based on atmosphere-controlled EFG-grown perovskite CsPbBr3single crystals”为题,在线发表在期刊Nature Photonics(IF: 32.3)上。研究结果对开发新型高性能核辐射探测晶体材料具有重要的意义。论文第一作者为山东大学2021级博士生华云秋,张国栋教授和陶绪堂教授为共同通讯作者,山东大学为独立通讯单位,合作单位西北工业大学、武汉大学。

卤化物钙钛矿材料在X射线医疗影像、工业检测、安防安检、国土安全等领域展现出巨大的应用潜力。然而,三维卤化物钙钛矿中的离子迁移会导致器件产生基线漂移问题,从而严重影响探测器的工作稳定性。陶绪堂教授、张国栋教授团队开发了新型气氛可控导模法,生长出高质量的全无机卤化物钙钛矿CsPbBr3单晶。与采用垂直布里奇曼法生长的CsPbBr3单晶相比,使用气氛导模法在HBr和Ar混合气氛中生长的CsPbBr3单晶具有更低的缺陷态密度、更高的电阻率和更大的离子迁移活化能,有利于降低器件的暗电流和提高器件的可耐受电场强度。与溶液法和传统熔体法相比,这种方法具有生长速度快(3-10 mm h-1)、可生长异型晶体等优点,能够进一步降低晶体的制备成本。采用气氛导模法生长的CsPbBr3晶体制作的探测器表现出优异的X射线探测性能,在5000 V cm-1的高电场下灵敏度为46180 μC Gyair-1cm-2,探测极限低至10.81 nGyairs-1,暗电流漂移为1.68 × 10-9μA cm-1s-1V-1,具有良好的稳定性。该工作为改进用于高性能X射线探测应用的钙钛矿晶体提供了一种有效的制备策略,展现出广阔的应用前景。

a)气氛导模法晶体生长原理图;b)生长的柱状CsPbBr3晶体;c)CsPbBr3探测器与其他半导体探测器的灵敏度比较

气氛导模法生长的CsPbBr3晶体与下降法生长的CsPbBr3晶体性能比较f)迁移率寿命积;h)空穴漂移速率随电场的变化;i)−1v ~ 1v之间的暗电流-电压曲线。

近年来,陶绪堂、张国栋教授团队聚焦中长波红外以及X射线/γ射线两个极限波段的探测应用需求,开展卤化物晶体的单晶生长、性能研究及器件开发。采用混卤策略对钙钛矿晶体的光电性能进行调控,生长了一系列新型CsPbBr3-nIn(Advanced Materials, 2022, 2106562)和Cs3Bi2I9-nBrn晶体(Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202315817),研究了这些晶体的结构、光电性质及探测性能。此外,团队开发了红外偏光/声光用卤化物晶体研制了可用于高功率红外激光器、红外光谱仪、红外探测器等仪器中的关键光学元器件。

上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、晶体材料国家重点实验室课题等项目的大力支持。


【供稿单位:晶体材料国家重点实验室    作者:张国栋    编辑:新闻网工作室    责任编辑:王莉莉  】

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