[发明专利]一种金属有机框架材料半导体晶体及其制备方法和应用

说明书

本申请公开了一种金属有机框架材料半导体晶体，所述半导体晶体的化学式为Csubgt;36/subgt;Hsubgt;32/subgt;Nsubgt;2/subgt;Osubgt;11/subgt;Pbsubgt;2/subgt;，分子的结构式为：Pbsubgt;2/subgt;(TCPE)(DMF)subgt;2/subgt;·Hsubgt;2/subgt;O；本发明方法得到的半导体单晶在单斜晶系P2subgt;1/subgt;/n空间群中结晶，外形为微米级片状晶体。其拥有良好的X射线直接探测性能，探测灵敏度在50V的偏压下高达4812.6μC Gysubgt;air/subgt;supgt;‑1/supgt;·cmsupgt;‑2/supgt;，最低检测限在20V的偏压下为0.09329μGysubgt;air/subgt;/s，可作为新型辐射探测半导体的优秀候选材料。

技术领域

本申请属于半导体晶体材料制备技术领域，具体涉及一种金属有机框架材料半导体晶体及其制备方法和应用。

背景技术

高能射线(X射线、γ射线等)探测是近年来一个重要的研究方向，它在国家安全、医学治疗和多学科研究等领域发挥着极其重要的作用。对于X射线探测，通常有间接探测和直接探测两种策略。相比于将X射线转化为紫外可见光，再由光电倍增管收集转换为电信号的间接探测策略，直接探测将X射线直接转换为电信号，减少了二次转换的信号损失和光子之间的光学串扰。已有研究证明，直接探测能够实现更高的探测灵敏度、空间分辨率以及低成本下方便的器件集成和系统配置。目前，常见的直接探测半导体材料主要包括已经商用的无机材料Si、α-Se和Cd(Zn)Te等，以及近两年在性能方面表现出色的有机-无机杂化钙钛矿材料。尽管如此，上述材料也存在着各种各样的问题，晶体Si由于Z值较小，对X射线的截止能力较差；α-Se探测器受限于较小的载流子迁移率和寿命乘积(μτ)；Cd(Zn)Te在与读出电路集成过程中存在较大的难度；而钙钛矿材料普遍的不稳定性和由离子迁移效应引起的大暗电流对探测器性能影响较大。因此，对于新型半导体材料的探索，是直接辐射探测材料应对更高性能指标和更广泛应用场景等现实需求的必要途径。

金属有机框架材料是由金属离子和有机连接体通过节点连接而成的一类新型化合物，凭借其灵活的结构-功能可调性被用于催化、传感、气体储存与分离等多个方向。通过理论设计选择大原子序数金属离子和大共轭有机发光配体，已报道了多例可用于X射线间接探测的闪烁型金属有机框架材料。而同样地，半导体型金属有机框架材料也显示出其可用作X射线直接探测的潜能。

发明内容

本发明的目的在于，为了克服现有技术中射线探测领域可选择的半导体种类不足、性能不佳、结构和功能无法调节等问题，采用溶剂热法合成了一种铅基金属有机框架Pb₂(TCPE)(DMF)₂·H₂O(Pb-TCPE)，Pb-TCPE是一种新型的半导体材料，其具有大原子序数的Pb²⁺和氧化还原活性的大共轭有机配体，构筑的半导体为X射线的吸收、转换和电荷传输提供了有利的内部结构条件。该方法制备过程简便，获得的金属有机框架材料具有优异的X射线探测性能，在射线探测半导体材料方面存在广泛的应用价值。

本发明的第一个方面提供了一种金属有机框架材料半导体晶体，该晶体的化学式为C₃₆H₃₂N₂O₁₁Pb₂，分子的结构式如下：

Pb₂(TCPE)(DMF)₂·H₂O；

其中，TCPE为四(4-羧基苯)乙烯配体，DMF为N,N-二甲基甲酰胺。

使用四(4-羧基苯)乙烯作为有机配体的目的在于，在选择有机配体时，仅四(4-羧基苯)乙烯能够成功合成Pb₂(TCPE)(DMF)₂·H₂O此种金属有机框架，这是采用其他有机配体时无法实现的效果。