近日，晶体材料国家重点实验室陶绪堂、张国栋教授团队在卤化物钙钛矿单晶生长及高性能X射线探测的研究中取得重要进展，相关研究成果以“Suppressed ion migration for high-performance X-ray detectors based on atmosphere-controlled EFG-grown perovskite CsPbBr₃single crystals”为题，在线发表在期刊Nature Photonics（IF: 32.3）（Nat. Photon., 2024.https://doi.org/10.1038/s41566-024-01480-5）上。研究结果对开发新型高性能核辐射探测晶体材料具有重要的意义。论文第一作者为山东大学2021级博士生华云秋，张国栋教授和陶绪堂教授为共同通讯作者，山东大学为独立通讯单位，合作单位西北工业大学，武汉大学。

卤化物钙钛矿材料在X射线医疗影像、工业检测、安防安检、国土安全等领域展现出巨大的应用潜力。然而，三维卤化物钙钛矿中的离子迁移会导致器件产生基线漂移问题，从而严重影响探测器的工作稳定性。陶绪堂教授、张国栋教授团队开发了新型气氛可控导模法，生长出高质量的全无机卤化物钙钛矿CsPbBr₃单晶。与采用垂直布里奇曼法生长的CsPbBr₃单晶相比，使用气氛导模法在HBr和Ar混合气氛中生长的CsPbBr₃单晶具有更低的缺陷态密度、更高的电阻率和更大的离子迁移活化能，有利于降低器件的暗电流和提高器件的可耐受电场强度。与溶液法和传统熔体法相比，这种方法具有生长速度快（3-10 mm h^-1）、可生长异型晶体等优点，能够进一步降低晶体的制备成本。采用气氛导模法生长的CsPbBr₃晶体制作的探测器表现出优异的X射线探测性能，在5000 V cm^-1的高电场下灵敏度为46180 μC Gy_air^-1cm^-2，探测极限低至10.81 nGy_airs^-1，暗电流漂移为1.68 × 10^-9μA cm^-1s^-1V^-1，具有良好的稳定性。该工作为改进用于高性能X射线探测应用的钙钛矿晶体提供了一种有效的制备策略，展现出广阔的应用前景。

a）气氛导模法晶体生长原理图；b）生长的柱状CsPbBr₃晶体；c）CsPbBr₃探测器与其他半导体探测器的灵敏度比较

气氛导模法生长的CsPbBr₃晶体与下降法生长的CsPbBr₃晶体性能比较f)迁移率寿命积；h)空穴漂移速率随电场的变化；i)−1v ~ 1v之间的暗电流-电压曲线。

近年来，陶绪堂、张国栋教授团队聚焦中长波红外以及X射线/γ射线两个极限波段的探测应用需求，开展卤化物晶体的单晶生长、性能研究及器件开发。采用混卤策略对钙钛矿晶体的光电性能进行调控，生长了一系列新型CsPbBr_3-nI_n（Advanced Materials, 2022, 2106562）和Cs₃Bi₂I_9-nBr_n晶体（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202315817），研究了这些晶体的结构、光电性质及探测性能。此外，团队开发了红外偏光/声光用卤化物晶体研制了可用于高功率红外激光器、红外光谱仪、红外探测器等仪器中的关键光学元器件。

上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、晶体材料国家重点实验室课题等项目的大力支持。

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1.https://doi.org/10.1038/s41566-024-01480-5

2. https://doi.org/10.1002/anie.202315817

3. https://doi.org/10.1002/adma.202106562