清华大学任天令团队 | 单晶钙钛矿X射线探测器的研究进展
清华大学任天令团队 | 单晶钙钛矿X射线探测器的研究进展
金属卤素钙钛矿是一类极具潜力的X射线探测材料，具有原子序数大、射线吸收能力强、电阻率高、载流子迁移率-寿命积大、电荷收集效率高的优点。与多晶钙钛矿相比，单晶钙钛矿表现出了更低的缺陷密度、更好的化学稳定性等优势，能实现更优的X射线探测性能。近年来，钙钛矿制备工艺的进步为钙钛矿X射线探测带来了新的方向和突破，基于单晶钙钛矿材料的X射线探测越来越受到人们的研究关注。本文梳理了钙钛矿X射线探测的基本工作原理和关键性能指标，详细回顾了近年来单晶钙钛矿材料在制备工艺和X射线探测器方面的重要研究进展。
单晶钙钛矿的主要制备方法有溶剂蒸发法、反溶剂法、逆温度结晶法、布里奇曼法等。布里奇曼法从熔融态物质中生长单晶材料，结晶质量好，但工艺温度高、产率低。溶剂蒸发法、反溶剂法和逆温度结晶法都属于溶液制备工艺，采用一定手段使溶液过饱和而析出晶体，工艺温度一般不高。溶剂蒸发法最为简单，耗时也最长。反溶剂法引入钙钛矿的不良溶剂使钙钛矿溶解度降低，结晶生长速度较快。逆温度结晶法利用了钙钛矿在特定溶剂的特定温度区间内具有逆溶解度的特点，对饱和溶液升温而使其结晶，结晶速度快。除了工艺耗时较短、生长所需温度较低、成本较低等优点，溶液制备方法还能容易地调整化学计量比和进行掺杂，但一般情况下其单晶尺寸和质量要逊于熔融制备方法。随着工艺不断优化，现在溶液制备方法也已经能够获得厘米级甚至更大尺寸的高质量单晶钙钛矿材料。
为提高单晶钙钛矿X射线探测器的性能，已经发展探索出多种改善探测器性能的策略。一、改良制备工艺，获取缺陷更少、厚度更大的单晶钙钛矿材料。二、适当地替换钙钛矿材料的阳离子或阴离子基团，进行掺杂或共掺杂，从而改善载流子迁移率、载流子寿命和材料稳定性。三、在探测器结构中引入额外的功能材料层，或使用两种钙钛矿材料构成的异质结，从而改善电荷分离和收集效率。单晶钙钛矿X射线探测器已经在探测灵敏度、最小探测限、空间分辨率、暗电流漂移、器件寿命等多项性能指标上取得了显著的进步，最优探测灵敏度已达108 μC·Gyair-1 cm-2，最小探测限已低至1 nGy·s-1量级。
然而，单晶钙钛矿X射线探测未来也还面临着一些困难和挑战。目前，晶体生长的工艺稳定性尚无法满足大规模实用的需求。另外，如何实现单晶与ASIC芯片的直接集成以及改善钙钛矿X射线探测器的长期稳定性也是一项值得探究的课题。