超强激光科学卓越创新简报

(第四百四十六期)

2023年11月17日

上海光机所在基于界面工程的高灵敏度CsPbBr₃单晶X射线探测器方面取得新进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所邵宇川研究员团队与华东理工大学开展合作，使用传输层材料BCP稳定Al金属电极，有效抑制离子迁移和电化学反应，大大提高了探测器的高偏压稳定性。相关成果以“Ultrasensitive and Robust CsPbBr₃ Single-Crystal X-ray Detectors Based on Interface Engineering”为题发表于ACS Applied Materials & Interfaces上。

X射线广泛应用于医疗诊断、产品质检、科学研究及国防安全等领域。全无机CsPbBr₃钙钛矿单晶由于较高的射线吸收能力和高的环境稳定性，在X射线探测领域具有巨大的应用潜力。通常来说，为了实现高探测灵敏度，最有效的办法是提高偏压。但高的偏压往往会造成高的暗电流、严重的基线漂移和大的噪声，无法实现稳定的X射线探测。

在本研究中，通过ToF-SIMS和XPS表征手段，证明了Au/BCP/C₆₀/CsPbBr₃/Au和Au/Al/CsPbBr₃/Au两种器件结构稳定性差的原因，是电场诱导的离子迁移，从而导致严重的界面电化学反应。为了解决离子迁移所导致的界面反应，研究人员设计出Au/Al/BCP/C₆₀/CsPbBr₃/Au探测器结构。在Al/BCP界面层上，BCP分子的吡啶双氮原子可以与Al原子相互作用，从而形成稳定的Al/BCP螯合界面。稳定的Al-BCP螯合层可有效阻挡离子迁移和抑制界面电化学反应，将探测器的实际使用偏压提高至100 V/mm，最终实现了72721 µC Gy_air^-1 cm^-2的灵敏度和15 nGy_air s^-1的低探测极限。同时，在200 nGy_air s^-1的低射线剂量下，我们实现了1 mm空间分辨率的X射线成像。界面螯合技术克服了钙钛矿辐射探测器由偏压引起的不稳定性，极大提升了探测器的实际使用性能。同时也展现出钙钛矿辐射探测器在医疗诊断、工业检测和科学研究等领域的应用潜力。

相关工作得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金和上海市探索者项目等基金的支持。

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图1 Al-BCP螯合层抑制离子迁移示意图及探测器性能对比图

图2 成像效果示意图