具有超长电荷传输寿命的无金属卤化物钙钛矿单晶用于X射线探测

注：文末有本文科研思路分析

X射线是一种波长极短、能量很大的电磁波。它可以穿透一定厚度的物质，使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。由于X射线的这些性质，使其广泛应用于医学、测试表征、安检、工业探伤等方面，与人们的生活息息相关。然而X射线穿过人体时会引起人体生物大分子以及水分子的电离和激发反应。过量的X射线照射人体会影响生理机能，造成染色体异常，对人体生殖、神经和免疫系统造成直接伤害，是心血管疾病、糖尿病、癌变的主要诱导原因；同时X射线长期照射人体还有概率造成不孕不育、孕妇流产、胎儿畸形等可能；还可直接引起成年人的身体组织与骨骼发育，引起视力、记忆力下降和肝脏造血功能下降，严重者可导致视网膜脱落等；此外还会对信息安全造成隐患，过量的辐射会干扰周围其他电子设备，影响正常运作。所以专业人员都需配备放射线剂量测定装置，检测含量是否超标。

金属基钙钛矿半导体材料在X射线探测方面展示了巨大的前景。但是由于金属具有较大的密度从而有较大的质量，在一些需要便携或者轻质量探测器的场合并不适用，例如X射线防护服上携带的检测装置，智能标签探测装置等。由于有机材料密度与人体当量接近更符合人体特征，且重量很轻，所以用于上述X射线检测是比较合适的。因此，陕西师范大学、西北工业大学以及以色列魏茨曼科学研究院的合作团队制备了一种不含金属的有机钙钛矿作为新型半导体材料并探究其基本光电性质，以适用于X射线探测。作者突破了以往有机单晶生长困难的问题，生长出了5×5×2 mm³的DABCO-NH₄Br₃钙钛矿结构的大尺寸单晶，单晶结晶质量较好，具有很低的缺陷态密度（8.1×10¹⁰ cm^-3）和很小的半高峰宽。这种材料在可见光区没有任何吸收，最大程度的减少了探测过程中可见光对器件的影响；大的电阻导致了器件具有较大的暗电流从而降低了器件的噪声增加了灵敏度，从而得到了清晰的成像结果。作者对这种无金属钙钛矿材料的电荷传输特性进行了探究，想了解是什么导致了价带导带的传输。通过密度泛函理论计算发现导带主要是由有机大分子贡献，价带主要是由卤素贡献。电学测试还展现了长的电荷传输寿命。与传统有机材料相比具有较大的载流子扩散长度（28-55 μm）和迁移率（2 cm²·V^-1·s^-1），在探测性质上比传统有机材料有更高的灵敏度、更低的启动电压和低的检出限。

图1. 晶体生长摇摆曲线图（左），晶体带隙图（中），50V电压下灵敏度（右）。图片来源：Adv. Mater.

这种材料的带隙在5 eV左右，所以在可见光区没有任何工作，未来如果考虑通过改变A位或者B位有机物来调节带隙到可见光区将会有更多的应用前景。这类可以在深紫外区激发或被高能辐射，低的噪音和高的灵敏度会成为深紫外高能辐射的候选材料。

图2. X射线辐射下平面结构探测器电荷传输。图片来源：Adv. Mater.

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是陕西师范大学宋鑫和崔清玥，通讯作者分别为陕西师范大学赵奎教授和刘生忠教授、西北工业大学黄维院士以及以色列魏茨曼科学研究院Gary Hodes教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Metal-Free Halide Perovskite Single Crystals with Very Long Charge Lifetimes for Efficient X-ray Imaging

Xin Song, Qingyue Cui, Yucheng Liu, Zhuo Xu, Hagai Cohen, Chuang Ma, Yuanyuan Fan, Yunxia Zhang, Haochen Ye, Zhanhui Peng, Ruipeng Li, Yonghua Chen, Jianpu Wang, Huaming Sun, Zhou Yang, Zhike Liu, Zupei Yang, Wei Huang, Gary Hodes, Shengzhong (Frank) Liu, Kui Zhao

Adv. Mater., 2020, DOI:10.1002/adma.202003353

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：我们的初始兴趣是开发新型无金属轻便型的单晶高灵敏探测器。钙钛矿材料的结构和电学优势给了我们灵感和希望。我们偶然发现18年前报道的无金属钙钛矿材料，发现这种材料兼容有机轻便和钙钛矿结构的特性，可能是便携式、可穿戴以及柔性设备的一种新型半导体材料。然而这18年里都未发现关于这种材料的任何电荷传输特性的分析报道，这促使我们要去探索这类新型材料的电学性质和在光电领域的潜在应用。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中最大的挑战是新材料新性能的探索阶段。因为这种材料目前还没有关于光电基本性质的报道，我们在研究的过程中遇到很多问题无从下手，在翻阅很多半导体方面的书籍和文献后才得到一些结果。但是这个挑战的过程很充实，大家都学到了更多知识，以及对自主解决问题能力的提升。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：这个工作未来的应用前景可能有高能粒子辐射探测、深紫外探测、新型场效应晶体管、非线性光学、铁电、LED方面等。我们为相关领域的工作者们提供了一份新的研究思路，将对相关领域的发展提供推动作用。