【儀表網 研發快訊】近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光元件技術與工程部薄膜光學研發中心邵宇川研究員團隊和上海大學微電子學院合作，提出了一種在氫溴酸中通過降溫法生長PEA2PbBr4二維鈣鈦礦單晶的方法。在富含鹵素的環境中通過控制溫度緩慢降溫生長出了高質量晶體，由其制得的X射線探測器器件性能表現出色，在低探測極限方面優于其他同類研究。相關研究成果以“X-ray Detector with Ultra-low Detection Limit based on Bulk Two-dimensional Perovskite PEA2PbBr4 Single Crystals Grown in HBr Solution”為題發表于Journal of Materials Chemistry A。
三維鹵化物鈣鈦礦作為X射線探測器的吸收材料已展現出優異性能，但其中的鹵素離子在持續高偏壓下易發生遷移，影響器件的工作穩定性。相比之下，二維層狀鹵化物鈣鈦礦中的疏水有機分子間隔層有效抑制了離子遷移，同時提高了環境與工作穩定性。此外，由于二維鈣鈦礦的電阻率高于三維鈣鈦礦，理論上可實現更低的噪聲電流，從而降低探測極限。然而，目前報道的二維鈣鈦礦單晶X射線探測器的探測極限并未顯著優于三維鈣鈦礦單晶器件，二維鈣鈦礦單晶在該領域仍值得進一步研究。
圖 1. (a) 基于氫溴酸溶液中晶體成核曲線的晶體生長策略；(b) 二維層狀鈣鈦礦PEA?PbBr?的晶體結構； (c) 由于溶質配比不同，生長得到的兩種PEA?PbBr?單晶表面圖片，與 (d) 兩種 PEA?PbBr?單晶厚度圖片
本次工作中，使用對應PEA?PbBr?化學式配比的原始溶質比例(PEABr:PbBr2 = 2:1)生長得到的晶體極薄、易碎無法進行加工，且厚度不足以有效吸收X射線。研究團隊基于不同溶質在氫溴酸中的溶解度差異，采用優化后的溶質配比2:3，使溶液在初期提供了一個穩定的環境和適宜的成核驅動力，促進晶體生長，首次通過溶液法在氫溴酸中獲得大尺寸PEA?PbBr?單晶(7 × 6 × 1 mm³)。制得的PEA?PbBr?單晶X射線探測器表現出被抑制的離子遷移現象和優異的載流子輸運特性，包括高的載流子遷移率和壽命積(μτ = 5.8 × 10?? cm² V?¹)。在該μτ值與低噪聲電流的共同作用下，器件在100 V偏壓下實現了2998 μC Gyair?¹ s?¹ cm?²的高靈敏度和0.79 nGyair?¹ s?¹的低探測極限。同時，器件表現出優秀的長期穩定性，在暗態1小時、打開射線照射7小時、關閉射線暗態1小時共9小時的工作時間里，暗電流與光電流均十分穩定。該研究為高質量二維層狀鈣鈦礦單晶的生長及其在X射線探測器中的應用提供了重要的設計指導。
圖 2. (a) PEA?PbBr?單晶X射線探測器示意圖；(b) PEA?PbBr?探測器射線性能與其他二維鈣鈦礦探測器對比； (c) PEA?PbBr?探測器長期工作穩定性，經歷射線關-開-關
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