[發明專利]一種大面積鹵化物鈣鈦礦單晶異質結及其生長方法與在核輻射探測器中的應用

在審

• 申請號: 202211116050.7
• 申請日: 2022-09-14
• 公開（公告）號: CN115595660A
• 公開（公告）日: 2023-01-13
• 發明（設計）人: 張國棟;崔富財;華云秋;孫雪;李想;陶緒堂
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C30B29/12
• 分類號: C30B29/12;C30B19/12;C30B19/10;G01T1/16
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 王素平

本發明涉及一種大面積鹵化物鈣鈦礦單晶異質結及其生長方法與在核輻射探測器中的應用。該大面積鹵化物鈣鈦礦單晶異質結的生長方法，包括步驟如下：將經預處理的溴鉛銫或溴鉍銫襯底置于裝有鈣鈦礦前驅體溶液的試劑瓶中，之后密封；將上述密封的試劑瓶固定在水槽中，通過逆溫結晶法或降溫結晶法在襯底上進行大面積鹵化物鈣鈦礦單晶薄膜的外延生長，得到大面積鹵化物鈣鈦礦單晶異質結。本發明的方法具有成本低、簡單、高效的優點；本發明的鈣鈦礦單晶異質結探測器在反向偏壓下可有效抑制離子遷移引起的暗電流漂移，從而獲得高靈敏度、低檢測限的探測效果。

技術領域

本發明涉及一種大面積鹵化物鈣鈦礦單晶異質結及其生長方法與在核輻射探測器中的應用，屬于鈣鈦礦制備技術及應用領域。

背景技術

核輻射探測是利用高能射線(如X射線、γ射線等)與物質的相互作用，轉變為各種形式的直接或間接可為人們感官所能接受的信息的過程，在醫療診斷、線路探傷、安全篩查、工業產品無損檢測和食品工業質量檢驗等方面發揮著重要應用。因此，選用一種高性能核輻射探測器是至關重要的。通常，核輻射探測器要滿足以下幾點要求：(1)高靈敏度：更容易分辨目標物體；(2)低檢測限：減小輻射劑量、減小傷害；(3)高穩定性：性能穩定保證長時間使用；(4)高質量：減少缺陷對載流子俘獲以提高探測效率；(5)大面積：可吸收大尺寸焦斑射線，提高成像的準確度。優異的核輻射探測器與探測材料是相輔相成的，核輻射探測材料要滿足：(1)比較高的平均原子序數(Z)從而實現對射線的強吸收；(2)比較高的電阻率(ρ)以減小暗電流；(3)適當寬的禁帶寬度(Eg)從而適用于室溫下工作；(4)較大的載流子遷移率壽命積(μτ)以獲得高的載流子收集效率。

近年來，鹵化物鈣鈦礦作為一種商業可替代的核輻射探測材料，具有較高的原子序數、優異的載流子壽命、可調的帶隙和低溫制造工藝，在高性能X射線探測器方面展現出巨大的潛力。目前，報道的X射線探測器靈敏度最高為2.2×10⁸μC Gy_air^-1cm^-2，其是用3D噴涂打印的MAPbI₃薄膜，有著制備效率高，制作成本低的優點，但是由于有機陽離子易脫離鈣鈦礦本體，降低了探測器的穩定性(參見：Glushkova,A.；Andricevic,P.；Smajda,R.；Nafradi,B.；Kollar,M.；Djokic,V.；Arakcheeva,A.；Forro,L.；Pugin,R.；Horvath,E.,Ultrasensitive 3D Aerosol-Jet-Printed Perovskite X-ray Photodetector.ACS Nano2021,15(3),4077-4084.)。最低檢測限也是X射線探測領域中非常重要的指標，通過消除鈣鈦礦的界面極化問題，制備的MAPbI₃單晶探測器，最低檢測限至0.1nGy_air s^-1，達到了目前較高的水平(參見：Song,Y.；Li,L.；Hao,M.；Bi,W.；Wang,A.；Kang,Y.；Li,H.；Li,X.；Fang,Y.；Yang,D.；Dong,Q.,Elimination of Interfacial-Electrochemical-Reaction-Induced Polarization in Perovskite Single Crystals for Ultrasensitive andStable X-Ray Detector Arrays.Adv.Mater.2021,33(52),e2103078.)。鹵化物鈣鈦礦在γ探測領域也有了一定的發展，全無機CsPbBr₃單晶對¹³⁷Cs 662-keV的γ射線探測的能量分辨率為1.4％(參見：He,Y.；Petryk,M.；Liu,Z.；Chica,D.G.；Hadar,I.；Leak,C.；Ke,W.；Spanopoulos,I.；Lin,W.；Chung,D.Y.；Wessels,B.W.；He,Z.；Kanatzidis,M.G.,CsPbBr3perovskite detectors with 1.4％energy resolution for high-energyγ-rays.Nat.Photonics 2021,15,36-42.)。然而，目前鈣鈦礦材料在應用于輻射探測器時，在高的外加電場下仍然存在離子遷移引起的暗電流漂移問題，嚴重影響了探測器的工作穩定性。