［本站讯］近日，山东大学空间科学与物理学院空间科学攀登团队行星科学课题组取得新突破，成功研制出基于高品质钙钛矿单晶的超低检测限、高灵敏X射线探测器。4月29日，这一创新性的研究成果以“Ultralow detection limit and high sensitivity X-ray detector of high-quality MAPbBr₃perovskite single crystals”为题目，在线发表在国际权威期刊Journal of Materials Chemistry A（JCR一区，IF=11.9）上。行星科学课题组刘董为论文第一作者，山东大学空间科学与物理学院教授武中臣、山东大学晶体材料国家重点实验室教授张国栋为论文共同通讯，山东大学为第一完成单位。

图1所示。MAPbBr₃单晶的生长示意图和X射线衍射图。a)真空蒸发结晶法(VEC)装置示意图，其中结晶瓶放置在一个封闭的腔室中。利用一个真空泵对晶体生长室施加适当的负压。随着溶剂的蒸发，钙钛矿在过饱和时自发成核。b) VEC法制备的MAPbBr₃单晶照片。c) VEC制备的MAPbBr₃单晶磨粉后和最大晶面的XRD衍射图。d) VEC-MAPbBr₃和HT-MAPbBr₃单晶的(100)衍射峰的高分辨率XRD摇摆曲线。

图2. MAPbBr₃单晶的光学和光电子性质。a) VEC-MAPbBr₃和HT-MAPbBr₃单晶的吸收光谱。插图为外推光学带隙的相应切线图。b)VEC-MAPbBr₃和HT-MAPbBr₃单晶在相同激发强度下的光致发光光谱。c) VEC-MAPbBr₃和HT-MAPbBr₃单晶时间分辨光致发光图。d)和e)HT-MAPbBr₃和VEC-MAPbBr₃单晶的I-V特征曲线。f)不同方法生长MAPbBr₃单晶的陷阱密度和迁移率的比较图。

图3.所示。基于VEC-MAPbBr₃单晶的X射线探测器的光电导率。a)对100 kV_pX射线的衰减效率与MAPbBr₃、Si厚度的关系。b) VEC-MAPbBr₃单晶X射线探测器在不同场强、不同辐照剂量下的电荷收集效率。c)不同电场强度、不同辐照剂量下VEC-MAPbBr₃单晶X射线探测器的光电流响曲线，X射线强度为100 kV_p。d)电场强度为20 V cm^-1时，VEC-MAPbBr₃单晶X射线探测器的暗电流漂移曲线。

图4所示。VEC-MAPbBr₃单晶X射线探测器的性能参数。a) VEC-MAPbBr₃单晶X射线探测器在不同的电场强度下的灵敏度。b)VEC-MAPbBr₃单晶X射线探测器在不同X射线剂量下的信噪比(SNR)。c)VEC-MAPbBr₃单晶X射线探测器在不同X射线剂量下的光电流响应数据。d)不同钙钛矿单晶生长方法制备的VEC-MAPbBr₃单晶X射线探测器，其灵敏度和最低可检测限的统计数据。e)未封装的VEC-MAPbBr₃单晶X射线探测器在室温、空气中保存200天前后光电流响应对比图。

金属卤化物钙钛矿单晶的发展推动了其在太阳能电池、光电探测器等多个应用场景中的研究，并为深空环境下光电半导体器件的应用开辟了新方向。高质量的钙钛矿单晶展现出优异的光电半导体性能，是制作高性能X射线探测器的理想材料。为避免温度梯度和辅助物质对钙钛矿单晶质量的影响，该团队研制了真空蒸发结晶方法(Liu dong, et al. Advanced Science,2024,advs.202400150)。基于此方法，成功合成了高质量的MAPbBr₃单晶，展现出优异的光电性能，如长载流子寿命(1150 ns)，低阱态密度(2.28×10⁹cm^-3)，高载流子迁移率(130 cm²V^-1s^-1)。基于此项技术，团队设计的一种MAPbBr₃/Pt平面结构的X射线探测器，呈现出了超高灵敏度(24552μCGy^-1cm^-2)和超低的检测限(54 nGy s^-1)。该X射线探测器在未封装的条件下在室温、大气环境中储存200天仍然保持97.1%的光电响应（辐射剂量21.09μGy s^-1下测试）。这一研究成果显示，高质量钙钛矿单晶是制备高性能X射线探测器的理想材料。其独特的物理特性使得这类探测器具有超低检出限和高灵敏度，因此在深空探测、医疗影像等多个领域展现出了巨大的应用潜力。