近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所薄膜硅太陽電池研究組研究員劉生忠團(tuán)隊(duì)與陜西師范大學(xué)博士劉渝城、徐卓、楊周等合作，基于近年在高質(zhì)量大尺寸鈣鈦礦單晶生長的技術(shù)積累和完備的科研平臺(tái)，成功設(shè)計(jì)、集成了大尺寸零微結(jié)構(gòu)非鉛(類)鈣鈦礦單晶高性能X射線成像器件。
鈣鈦礦是指一類陶瓷氧化物，其分子通式為ABO3 ；此類氧化物最早被發(fā)現(xiàn)，是存在于鈣鈦礦石中的鈦酸鈣(CaTiO3)化合物，因此而得名。由于此類化合物結(jié)構(gòu)上有許多特性，在凝聚態(tài)物理方面應(yīng)用及研究甚廣，所以物理學(xué)家與化學(xué)家常以其分子公式中各化合物的比例(1:1:3)來簡稱之，因此又名“113結(jié)構(gòu)”。呈立方體晶形。在立方體晶體常具平行晶棱的條紋，系高溫變體轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏刈凅w時(shí)產(chǎn)生聚片雙晶的結(jié)果。
鈣鈦礦是以俄羅斯地質(zhì)學(xué)Preosvik的名字命名的，其結(jié)構(gòu)通常有簡單鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。簡單鈣鈦礦化合物的化學(xué)通式是，其中X通常為半徑較小的或，雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)( Double-Perovskite) 具有 組成通式，層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)組成較復(fù)雜， 研究較多的是具有通式以及具有超導(dǎo)性質(zhì)的和三方層狀鈣鈦等。研究最多的是組成為的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)類型化合物。
鈣鈦礦材料是近年發(fā)展快也是熱門的半導(dǎo)體材料之一。與鈣鈦礦微晶薄膜相比，低缺陷態(tài)、高遷移率和更穩(wěn)定的大尺寸鈣鈦礦單晶更適用于X射線等高能輻射探測。目前，已經(jīng)有幾種三維/二維(3D/2D)鈣鈦礦單晶材料被用于X射線探測器，但仍然存在很多不足。一方面，三維鈣鈦礦單晶具有高遷移率和大載流子擴(kuò)散長度，但由于較高的載流子濃度，使得光電器件呈現(xiàn)很高的暗電流。此外，三維鈣鈦礦內(nèi)部離子容易遷移，尤其是在高電場下離子遷移異常明顯，導(dǎo)致探測器在工作狀態(tài)下不夠穩(wěn)定，器件信噪比低，基線漂移嚴(yán)重，響應(yīng)不穩(wěn)定，甚至器件本身都容易損壞。
之前的研究表明，低離子遷移和高體相電阻率是保證高能射線探測器在高電場下穩(wěn)定輸出的必要條件，因此也是實(shí)現(xiàn)高性能X射線成像的巨大挑戰(zhàn)。此外，如何獲得高質(zhì)量、大尺寸的鈣鈦礦單晶，以及取代高毒性鉛元素而不犧牲光電性能，更是該領(lǐng)域的較大難題。
x射線探測器是一種將X射線能量轉(zhuǎn)換為可供記錄的電信號(hào)的裝置。它接收到射線照射，然后產(chǎn)生與輻射強(qiáng)度成正比的電信號(hào)。通常探測器所接受到的射線信號(hào)的強(qiáng)弱，取決于該部位的人體截面內(nèi)組織的密度。密度高的組織，例如骨骼吸收x射線較多，探測器接收到的信號(hào)較弱；密度較低的組織，例如脂肪等吸收x射線較少，探測器獲得的信號(hào)較強(qiáng)。這種不同組織對x射線吸收值不同的性質(zhì)可用組織的吸收系數(shù)m來表示，所以探測器所接收到的信號(hào)強(qiáng)弱所反映的是人體組織不同的m值，從而對組織性質(zhì)做出判斷。
該團(tuán)隊(duì)采用低溫溶液生長策略，成功制備了大尺寸零維結(jié)構(gòu)鉍基鈣鈦礦(CH3NH3)3Bi2I9(MA3Bi2I9)單晶。試驗(yàn)證明，該單晶具有很高的X射線吸收率、很低的缺陷態(tài)密度、低離子遷移率、高體電阻率以及很好的環(huán)境穩(wěn)定性等。在MA3Bi2I9單晶上設(shè)計(jì)制備集成的X射線探測器表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。在60 Vmm-1的電場下，探測器的靈敏度達(dá)到1947.3 μCGyair-1cm-2，檢測限低于83 nGyairs-1，遠(yuǎn)低于常規(guī)醫(yī)療診斷劑量標(biāo)準(zhǔn)(5.5 μGyairs-1)。此外，MA3Bi2I9單晶X射線探測器的基線漂移率為5.0×10-10 nAcm-1s-1V-1，比三維結(jié)構(gòu)的MAPbI3鈣鈦礦單晶低7個(gè)數(shù)量級(2.0×10-3 nAcm-1s-1V-1)，保證了器件很好的工作穩(wěn)定性和高信噪比，從而實(shí)現(xiàn)了高靈敏穩(wěn)定的X射線成像。
資料來源：大連化學(xué)物理研究所、百科
