近日，中国科学院广州分院深圳先进技术研究院材料所喻学锋、刘延亮团队，在高水平国际学术期刊Nano Research在线发表研究论文“CsPbBr3-DMSO merged perovskite micro-bricks for efficient X-ray detection”。该成果聚焦钙钛矿直接型X射线探测器中全无机钙钛矿厚光敏层制备困难的科学问题，首次合成了性能比肩单晶的高质量全无机钙钛矿晶片，成功实现了高效直接X射线探测及扫描成像。本工作为制备高灵敏、高分辨直接X射线探测器提供了新的技术路线，在高端医疗影像诊断领域具有巨大的应用潜力。
线上论文截图
X射线探测被广泛用于医学影像诊断、工业无损检测、核反应监测等领域，与我们的生活息息相关。目前商用的间接X射线探测器存在二次光电转化效率低、可见光色散等难以克服的问题，导致探测灵敏度低、辐射剂量高、空间分辨率差。相比之下，基于半导体材料的直接X射线探测器可通过一次光电转换，直接将X射线转换成电信号，因此可具有更高的光电转换效率、探测灵敏度和空间分辨率。发展新型高效半导体光电转换材料是直接X射线成像探测器走向应用的关键。
全无机金属卤化物钙钛矿具有X射线衰减系数大、载流子迁移率高、载流子寿命长、材料稳定等优点，在直接X射线探测领域备受关注。为了充分吸收高能X射线，钙钛矿活性层的厚度应该达到数百微米。钙钛矿单晶是直接X射线探测的理想材料，但是其生长耗时长，且无法获得大面积、尺寸可控的单晶。此外，由于无机钙钛矿前驱体在溶液中的浓度低，材料利用率低，通过溶液法也很难制备出满足要求的钙钛矿厚膜。将钙钛矿粉末压实形成多晶钙钛矿晶片可以构建尺寸、厚度可调的钙钛矿X射线探测光敏层，但由此制备的多晶无机钙钛矿晶片通常含有许多空隙和晶界，严重影响了X射线探测器的效率及工作稳定性。
针对上述问题，结合之前的研究基础，喻学锋、刘延亮课题组从提升钙钛矿结晶度、降低钙钛矿晶片缺陷密度出发，发展出用于高性能X射线探测器的全无机钙钛矿晶片。通过机械研磨法可获得CsPbBr3粉体，进一步在少量DMSO中培养可产出大量具有立方形状、高结晶度和优良光电性能的CsPbBr3微晶。此外，合成过程中微量的DMSO通过Pb-O键结合到CsPbBr3微砖表面形成CsPbBr3-DMSO络合物。在热压加工过程中，络合物释放的DMSO蒸汽不仅可以促进CsPbBr3晶粒生长，还能在100 ℃的低温下促进CsPbBr3微砖融合成致密的晶片，从而提高电荷传输性能，获得高效钙钛矿直接X射线探测器，灵敏度可达14,430 μC Gyair –1 cm–2，检出限为564 nGyair s–1，具有良好的工作稳定性。
这项工作为钙钛矿材料开拓了新的应用方向，同时也为高质量钙钛矿晶片的制备提供了一种有效策略，具有很大科学和应用价值。
喻学锋研究员和刘延亮副研究员为本文通讯作者，史桐雨博士生为本论文第一作者，刘文俊硕士生为本文的共同第一作者。该研究工作获得了国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金青年项目、中科院青年创新促进会、深圳市杰青及中科院特别研究助理等项目的资助。
全无机钙钛矿晶片的制备及其应用于高灵敏直接X射线探测
附件下载：