[发明专利]一种大面积卤化物钙钛矿单晶异质结及其生长方法与在核辐射探测器中的应用

说明书

本发明涉及一种大面积卤化物钙钛矿单晶异质结及其生长方法与在核辐射探测器中的应用。该大面积卤化物钙钛矿单晶异质结的生长方法，包括步骤如下：将经预处理的溴铅铯或溴铋铯衬底置于装有钙钛矿前驱体溶液的试剂瓶中，之后密封；将上述密封的试剂瓶固定在水槽中，通过逆温结晶法或降温结晶法在衬底上进行大面积卤化物钙钛矿单晶薄膜的外延生长，得到大面积卤化物钙钛矿单晶异质结。本发明的方法具有成本低、简单、高效的优点；本发明的钙钛矿单晶异质结探测器在反向偏压下可有效抑制离子迁移引起的暗电流漂移，从而获得高灵敏度、低检测限的探测效果。

技术领域

本发明涉及一种大面积卤化物钙钛矿单晶异质结及其生长方法与在核辐射探测器中的应用，属于钙钛矿制备技术及应用领域。

背景技术

核辐射探测是利用高能射线(如X射线、γ射线等)与物质的相互作用，转变为各种形式的直接或间接可为人们感官所能接受的信息的过程，在医疗诊断、线路探伤、安全筛查、工业产品无损检测和食品工业质量检验等方面发挥着重要应用。因此，选用一种高性能核辐射探测器是至关重要的。通常，核辐射探测器要满足以下几点要求：(1)高灵敏度：更容易分辨目标物体；(2)低检测限：减小辐射剂量、减小伤害；(3)高稳定性：性能稳定保证长时间使用；(4)高质量：减少缺陷对载流子俘获以提高探测效率；(5)大面积：可吸收大尺寸焦斑射线，提高成像的准确度。优异的核辐射探测器与探测材料是相辅相成的，核辐射探测材料要满足：(1)比较高的平均原子序数(Z)从而实现对射线的强吸收；(2)比较高的电阻率(ρ)以减小暗电流；(3)适当宽的禁带宽度(Eg)从而适用于室温下工作；(4)较大的载流子迁移率寿命积(μτ)以获得高的载流子收集效率。

近年来，卤化物钙钛矿作为一种商业可替代的核辐射探测材料，具有较高的原子序数、优异的载流子寿命、可调的带隙和低温制造工艺，在高性能X射线探测器方面展现出巨大的潜力。目前，报道的X射线探测器灵敏度最高为2.2×10⁸μC Gy_air^-1cm^-2，其是用3D喷涂打印的MAPbI₃薄膜，有着制备效率高，制作成本低的优点，但是由于有机阳离子易脱离钙钛矿本体，降低了探测器的稳定性(参见：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.)。最低检测限也是X射线探测领域中非常重要的指标，通过消除钙钛矿的界面极化问题，制备的MAPbI₃单晶探测器，最低检测限至0.1nGy_air s^-1，达到了目前较高的水平(参见：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.)。卤化物钙钛矿在γ探测领域也有了一定的发展，全无机CsPbBr₃单晶对¹³⁷Cs 662-keV的γ射线探测的能量分辨率为1.4％(参见：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，目前钙钛矿材料在应用于辐射探测器时，在高的外加电场下仍然存在离子迁移引起的暗电流漂移问题，严重影响了探测器的工作稳定性。