陕西师范大学：大尺寸钙钛矿单晶实现高性能X射线探测成像

X射线探测与成像在医学诊断、环境监测、工业无损检测、安全检查、核科学与技术、科学研究和天文观测等领域有着广泛的应用，因此对人们的生活和生产具有十分重要的意义。近日，陕西师范大学刘生忠教授（点击查看介绍）团队和美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis教授（点击查看介绍）团队合作，通过在FAPbI₃单晶晶格中并入小离子半径的甲胺离子 (MA⁺)、铯离子 (Cs⁺) 和溴离子 (Br^-)，释放了由于甲眯离子 (FA⁺) 半径过大产生的晶格应力，有效提高了三维结构FAPbI₃基单晶钙钛矿的稳定性，实现了高性能X射线探测和成像。

金属卤化钙钛矿由于优异的光电性质，成为新型太阳电池、LED和激光器等应用研究的热门材料。此外，钙钛矿材料在X射线探测方面也显示出较大的应用潜力和研究价值。从目前国内外多个研究团队已经报道的研究结果可以看出，三维结构的钙钛矿响应性能较高，但是由于内部离子迁移明显，导致基于三维钙钛矿的X射线探测器工作稳定性较差；低维（零维和二维）结构钙钛矿虽然稳定性较好，但是响应性能相比三维结构钙钛矿差得多。因此，要实现高性能X射线探测和成像，主要有两种途径，一是提高低维结构钙钛矿的响应性能，二是提高三维结构钙钛矿的稳定性。钙钛矿单晶中由于没有晶界，相比含有大量晶界的微晶薄膜具有更低的离子迁移和更好的稳定性，因此使用单晶钙钛矿是更好的选择。三维结构甲眯基钙钛矿FAPbI₃由于具有比甲胺基钙钛矿MAPbI₃更好的性能，因而被广泛用于高效钙钛矿太阳电池中光吸收层组分优化的主体。但是由于甲眯离子半径过大，因此室温下很难稳定其高效的钙钛矿相；此外，由于较大的内部晶格应力，使得空位等缺陷较多，不利于光电器件的稳定工作。

刘生忠教授团队和Mercouri G. Kanatzidis教授团队等通过三元阳离子及混合卤素策略，有效弥补了以上不足。由于甲胺离子 (MA⁺)、铯离子 (Cs⁺)和溴离子 (Br^-) 的离子半径较小，分别为2.17 Å、1.69 Å和1.96 Å，小于甲眯离子 (FA⁺) 和碘离子 (I^-) 的半径，分别为2.53 Å和2.20 Å （X. Zheng, et al., ACS Energy Lett., 2016, 1, 1014.），因此通过在FAPbI₃单晶中引入部分甲胺离子 (MA⁺)、铯离子 (Cs⁺) 和溴离子 (Br^-) 以替换甲眯离子 (FA⁺) 和碘离子 (I^-)，可以释放晶体中较大的晶格应力（图1），其主要作用有：（1）实现了结构稳定的三元阳离子及混合卤素钙钛矿单晶（FAMACs）；（2）降低了晶体中的离子迁移，改善了材料和器件稳定性；（3）降低了晶体缺陷，减小了器件噪声电流；（4）提高了载流子迁移率和扩散距离；（5）实现了更好的光响应均匀性等。

图1. 单晶晶格应力释放和稳定性提高

由于晶格应力得到有效释放，使得FAMACs 单晶具有低离子迁移率、高机械稳定性、低陷阱密度、长载流子寿命、高电荷迁移率和热稳定性等有点。因此，基于该单晶制备的X射线探测器实现了高的X射线响应灵敏度和低探测限，以及探测器稳定性也明显提高。此外，还验证了该探测器用于高性能X射线成像的可行性（图2）。

图2. FAMACs 单晶与其他钙钛矿单晶陷阱密度和机械稳定性等性质比较。

图3. FAMACs 单晶X射线探测成像。

这一成果近日发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是陕西师范大学材料科学与工程学院刘渝城博士（兼通讯作者），共同通讯作者为陕西师范大学材料科学与工程学院刘生忠教授和美国西北大学化学系Mercouri G. Kanatzidis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）：

Triple‐Cation and Mixed‐Halide Perovskite Single Crystal for High‐Performance X‐Ray Imaging

Liu, Yucheng, Yunxia Zhang, Xuejie Zhu, Jiangshan Feng, Ioannis Spanopoulos, Weijun Ke, Yihui He, Xiaodong Ren, Zhou Yang, Fengwei Xiao, Kui Zhao, Mercouri Kanatzidis, Shengzhong Liu.

Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202006010

刘生忠教授简介

刘生忠教授于1992年获美国西北大学博士学位。先后在美国Argonne National Laboratory、Solarex/BP Solar、United Solar等高科技公司从事研究工作20余年。现任陕西师范大学教授和中国科学院大连化学物理研究所研究员，陕西师范大学新能源高等技术研究院院长。

刘生忠教授领导的团队是国内外较早从事钙钛矿光电器件研究的团队之一。团队研发了钙钛矿单晶生长新方法，成功制备了超大尺寸钙钛矿单晶，各方面指标均领先领域先进水平。在平面型钙钛矿电池和柔性钙钛矿太阳电池方面，均先后几次报道了领域最高效率，特别是采用独特的界面修饰方法和双源共蒸法，平面异质结电池效率超过了20%；发展了低温沉积工艺，制备了高校柔性钙钛矿电池。同时，在全无机钙钛矿太阳电池方向也取得了较多进展。

刘生忠

https://www.x-mol.com/university/faculty/31107

Mercouri G. Kanatzidis

https://www.x-mol.com/university/faculty/381