刘生忠教授团队在零维非铅钙钛矿单晶X射线成像取得重要进展

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从天体观测到医学成像，基于X射线的灵敏检测正在无数的应用中发挥着关键作用。近年来，钙钛矿半导体材料在X射线探测研究领域受到越来越多科学家关注，钙钛矿材料也成为了近年发展最快最热门的半导体材料之一。研究人员发现与钙钛矿微晶薄膜相比，低缺陷态，高迁移率和更稳定的大尺寸钙钛矿单晶更适用于X射线等高能辐射探测。目前，已经有几种三维/二维(3D/2D)钙钛矿单晶材料被用于X射线探测器，但在实际应用中仍然存在很多不足，三维钙钛矿单晶虽然具有高迁移率和大载流子扩散长度，但由于较高的载流子浓度，使得光电器件呈现很高的暗电流。同时，由于三维钙钛矿内部离子容易迁移，尤其是在高电场下离子迁移异常明显，导致探测器在工作状态下不够稳定，器件信噪比低，基线漂移严重，响应不稳定等问题。因此，低离子迁移和高体相电阻率是保证高能射线探测器在高电场下稳定输出的必要条件。也成为了实现高性能X射线成像的巨大挑战。同时，如何获得高质量大尺寸的钙钛矿单晶以及取代高毒性铅元素而不牺牲光电性能成为该领域的大难题。

      近日，材料科学与工程学院刘生忠教授团队利用近年在高质量大尺寸钙钛矿单晶生长的技术积累成功设计集成了大尺寸零维结构非铅（类）钙钛矿单晶高性能X射线成像器件。团队成员采用低温溶液生长策略，成功制备了大尺寸零维结构铋基钙钛矿(CH3NH3)3Bi2I9 (MA3Bi2I9)单晶。实验证明，该单晶具有很高的X射线吸收率、很低的缺陷态密度、低离子迁移率、高体电阻率以及很好的环境稳定性等卓越特性，在MA3Bi2I9单晶上设计制备集成的X射线探测器表现出优异的性能。在60 V mm-1的电场下，探测器的灵敏度达到1947.3 μC Gyair-1 cm-2，检测限低于83 nGyair s-1，远低于常规医疗诊断剂量标准(5.5 μGyair s-1)。此外，MA3Bi2I9单晶X射线探测器的基线漂移率为5.0×10-10 nA cm-1 s-1 V-1，比三维结构的MAPbI3钙钛矿单晶低7个数量级(2.0×10-3 nA cm-1 s-1 V-1)，保证了器件很好的工作稳定性和高信噪比，从而实现了高灵敏稳定的X射线成像。
        相关结果以题为“0D-Structured Lead-Free Perovskite Single Crystals for Highly Sensitive Stable X‑ray Imaging”发表在Cell Press旗下期刊Matter上。第一作者为材料科学与工程学院博士生刘渝城，徐卓博士后和杨周副教授为共同第一作者，刘生忠教授为通讯作者。
       论文链接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30188-0
       以上工作得到了美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis教授团队和西安交通大学刘明教授团队等的支持和帮助。


      文章来源：陕西师范大学
      刘生忠，男，1963年生，宁夏平罗人。陕西师范大学教授、国家特聘教授。1983年获陕西师范大学理学学士学位，1986年获兰州大学理学硕士学位，1992年获美国西北大学工学博士学位。刘生忠教授研究领域集中在纳米材料、薄膜材料、太阳能光伏材料、电光薄膜的电化学沉积、激光表面处理和光伏技术的开发、放大和生产。研究成果发表在世界著名刊物上，包括美国的《Science》和英国的《Nature》。研究成果引起了广泛重视，其发表在《Science》上的C60分子结构被国际著名杂志长期用作封面照片，发表在英国《Nature》上的成果被许多报纸、刊物报道评论，多篇论文成为被“最多引用的论文”（most cited paper）。主要发明和专利中有多项已转化成工艺和产品，其它大部分被应用在生产上，其中“透明太阳能薄膜电池”荣获号称“发明家的奥斯卡奖”的“世界最佳发明奖”（R&D 100）。1998年入选“世界科学家工程师名人录”。2011年，刘生忠教授入选国家创新人才长期项目。
       杨周，陕西师范大学副教授。围绕影响半导体光电器件内部、界面载流子输运特性的关键因素，开展了晶体材料生长调控与光电器件设计组装工作，以降低材料内部载流子的复合损失和接触界面载流子的输运势垒，提出了升温析晶的晶体生长策略，快速获得高质量、大尺寸钙钛矿晶体材料；提出了低温度梯度晶体生长策略，使生长液处于生长区，降低了溶液中晶体的成核数量，获得光电性能优异的钙钛矿单晶材料；设计组装基于大尺寸钙钛矿晶体的光电成像阵列，获得成像效果优异的光电探测成像器件。