发光学报 | 机遇与挑战：铅卤钙钛矿X射线探测器

X射线探测在诸如医学成像、特定晶体结构测定、射电天文学等领域有着非常重要的作用。而传统的用于X射线探测领域的材料如硅、锑化镉等存在制备工艺复杂、成本高、对X射线灵敏度低等缺点，严重制约了X射线探测领域的发展。而铅卤钙钛矿材料作为近年来备受关注的热点材料，因为具有较大的原子序数、高的吸收系数等优点，在X射线探测领域表现出非常优异的性能。然而，铅卤钙钛矿材料体系是一个大家族，不同组分的钙钛矿材料各有其优缺点，即使是同一组分的钙钛矿，根据其结晶性等参数的不同，性能表现也各不相同。因此，迫切需要系统地总结不同铅卤钙钛矿材料特性对X射线探测器性能的影响。

近日，吉林大学沈亮教授、深圳信息职业技术学院姚梦楠博士及吉林大学2022级博士研究生胡刚舰在《发光学报》（EI、核心期刊）发表了题为“基于材料调控的直接转换型铅卤钙钛矿X射线探测器研究进展”的综述文章。该综述重点从材料调控的角度介绍了材料组分、结晶性、厚度等因素对铅卤钙钛矿X射线探测器的影响，并对铅卤钙钛矿材料未来的发展方向进行了分析和展望。

▍引言

在X射线探测领域，由于钙钛矿具有较高的载流子迁移率寿命积、大的辐射吸收系数，钙钛矿X射线探测器在最近十年也得到了广泛关注，基于钙钛矿材料的X射线探测器取得了很大的进展。对于相同组分的钙钛矿而言，钙钛矿薄膜的厚度以及钙钛矿本身的结晶性（晶粒的大小以及晶粒的有无）都对制备的钙钛矿X射线探测器性能有着重要的影响；在保持上述条件基本相同的情况下，不同组分的钙钛矿制备成的X射线探测器在性能、稳定性等参数上也各有千秋。因此，国内外的研究者们陆续通过材料调控的方式不断调节钙钛矿材料特性，提高相应X射线探测器的性能。

图1：钙钛矿X射线探测器的一些成像图

▍材料调控钙钛矿X射线探测器方案

目前基于材料调控方式优化钙钛矿X射线探测器性能的方式呈现出多途径发展的趋势。其中，主要包括钙钛矿薄膜厚度的调控、钙钛矿结晶性的调控以及钙钛矿组分等的调控，这些调控手段基于不同的角度对钙钛矿X射线探测器的相关参数进行优化，促进了钙钛矿X射线探测器的商业化进程。

（1）钙钛矿薄膜的调控。对于钙钛矿薄膜的调控主要集中于薄膜厚度以及薄膜晶粒大小方面。由于X射线具有强穿透能力，需要厚钙钛矿薄膜才能吸收大部分入射X射线，根据计算，至少需要毫米量级的厚度才能完全吸收入射X射线。然而，基于旋涂法制备的钙钛矿薄膜厚度一般在百纳米级别，而且旋涂工艺无法大面积制备薄膜，也制约了其发展前景。基于刮涂法可以生产出百微米厚度的大面积钙钛矿薄膜，提升了薄膜吸收X射线的能力以及其商业化应用的潜力，但是这种工艺制备的薄膜具有微米量级的大晶粒，限制了对应的X射线成像器件的分辨率。这是因为这些比单个像素点还大的晶粒会使得不同像素点之间发生电荷串扰，严重影响探测器的空间分辨率。

（2）钙钛矿单晶的调控。由于缺陷的减少，导致钙钛矿单晶的μτ值远大于多晶薄膜，在X射线探测领域的潜力也比多晶薄膜高。但是钙钛矿单晶表面由于悬挂键等的存在使得单晶表面存在着很多缺陷，因此优化单晶界面处电荷传导的性能是提高单晶器件性能的一个研究方向。虽然基于钙钛矿单晶制备的X射线探测器在性能上有着非常优异的表现，但是其制备方法决定了钙钛矿单晶比较难以与TFT技术结合制备面阵X射线探测器，目前文献中基于钙钛矿单晶探测器成像的方式主要是单像素扫描成像和线阵扫描成像。

（3）钙钛矿组分的调控。除了上述调控方式以外，还可以通过调节钙钛矿组分的方式来提升器件的性能。例如MA⁺的钙钛矿广泛用于钙钛矿X射线探测器的制备中，但是基于MA⁺的钙钛矿大部分都有着稳定性差的缺陷，严重制约了MA⁺钙钛矿器件的商用价值。因此有很多工作使用FA⁺、Cs⁺等阳离子部分或者完全代替MA⁺来提高器件的稳定性并保证器件的优异性能，但是这些阳离子的引入或多或少会带来新的问题，比如应力失控导致单晶内部空位增多。所以有研究通过对钙钛矿B位置掺杂金属离子的方式抵消对A位掺杂的影响，取得了非常重要的突破，制备出了性能非常优异的X射线探测器。

▍结论与展望

钙钛矿直接型X射线探测器在近些年得到了广泛的研究，也取得了非常重要的突破，有些工作制备的钙钛矿X射线探测器性能已经超过了市面上最先进的X射线探测器。对于薄膜钙钛矿X射线探测器而言，薄膜中晶界的存在严重制约了制备的探测器的性能、成像分辨率以及稳定性，目前基于薄膜的钙钛矿X射线探测器的空间分辨率很难与商用的媲美，除此之外，纳米级别的薄膜对于X射线的衰减能力很差。因此，对于薄膜钙钛矿X射线探测器而言，未来的主要发展趋势是改善制备工艺，制备出高结晶性、均匀的厚钙钛矿薄膜。而对于单晶而言，如何通过组分调节等手段制备出μτ更高、暗电流更低、稳定性更好的单晶以及调节单晶的生长动力过程，从而制备出能与TFT阵列兼容的大尺寸单晶也是未来基于钙钛矿单晶X射线探测器的发展趋势。

| 论文信息 |

胡刚舰,陈琦,魏薇等.基于材料调控的直接转换型铅卤钙钛矿X射线探测器研究进展[J].发光学报,2023,44(05):771-785.

https://cjl.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/CJL.20220399/

▍作者简介

沈亮，吉林大学唐敖庆学者领军教授，博士生导师，国家级青年人才计划入选者，吉林省拔尖创新人才，电子科学与工程学院副院长。近年来以第一/通讯作者在Nat. Photon., Sci. Adv., Adv. Mater., Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater., Light-Sci. Appl.等国际重要学术刊物上发表高水平研究（综述）论文80篇，论文总引用>9 000次（google学术），H因子52，授权美国及中国发明专利40多项。获得2015年吉林省科学技术奖自然科学一等奖。目前担任InfoMat，SmartMat，《光子学报》，《激光与光电子学进展》期刊青年编委。

姚梦楠，博士，深圳职业技术学院讲师，2021年于吉林大学获得博士学位。主要从事有机半透明太阳能电池和钙钛矿单晶光电探测器的研究。

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