近日，我院胡芹研究员课题组在钙钛矿半导体X射线探测器研究中取得新进展。针对用于X射线探测的非铅铋基钙钛矿半导体传统制备方法存在的缺陷密度高、器件性能差的问题，该课题组开发了PPG成核调控策略（PCN策略）成功生长了缺陷更少、结晶性更好的Cs₃Bi₂I₉单晶，制备了探测和成像性能更好的X射线探测器。相关成果以“Defect mitigation in lead-free Cs₃Bi₂I₉ single crystals for high performance X-ray detection and imaging”为题发表于电子学知名期刊《IEEE Electron Device Letters》上（DOI: 10.1109/LED.2024.3391272）。

  X射线探测器在工业探伤、能源勘探、医学影像、安检安防、科学研究和空间探测等关系国计民生的领域至关重要，但目前商用的半导体材料如Si、a-Se等多存在X射线吸收系数低、载流子传输性能差等问题，X射线探测成像性能的提升受到限制。作为一种新兴的半导体材料，钙钛矿半导体因其高X射线吸收系数、高载流子传输率在X射线探测领域具有优势，特别是全无机非铅铋基钙钛矿Cs₃Bi₂I₉能够克服钙钛矿普遍存在的稳定性差、离子迁移严重、含毒性铅元素等问题。然而，传统方法制备的Cs₃Bi₂I₉单晶器件探测性能指标较低，存在缺陷密度高、结晶生长难以调控等问题，制约了器件应用和产业化大规模制备进程。因此，制备安全无毒、稳定性高、晶体缺陷少、探测灵敏度高的钙钛矿X射线探测器具有重大的科学价值和实际意义。

  为解决上述问题，该课题组开发了一种低成本、简单高效的Cs₃Bi₂I₉单晶制备方法，创新性地在Cs₃Bi₂I₉单晶生长过程中引入聚丙二醇（PPG）作为单晶成核调控剂生长了更高质量的单晶，有效地实现了单晶缺陷密度的降低（图1a，b）和结晶质量的提升（图1c）。调控的Cs₃Bi₂I₉单晶缺陷态密度低至3.51×10⁹ cm^-3（图1d），器件暗电流低至几十pA量级，电阻提升至2.59×10¹⁰ Ω·cm（图1e），载流子迁移率-寿命乘积（μτ）高达1.61×10^-3 cm²·V^-1（图1f），与对照组单晶（Control-SC）相比各个参数均有较明显的改善。此外，基于PCN单晶制备的“金属-半导体-金属”结构的X射线探测器也具有较好的性能，40 V·mm^-1电场下的灵敏度达173.9 μC·Gy_air^-1·cm^-2，是对照组器件的近10倍（图1g），显著优于商用a-Se探测器的性能（20 μC·Gy_air^-1·cm^-2 @ 10000 V·mm^-1）。同时器件的检测限低至1.57 μGy_air·s^-1（图1h），低于现有医学诊断所用X射线的最低剂量率（5.5 μGy_air·s^-1）。此外，使用PCN单晶制备了X射线探测阵列，对刻着“U”“S”“T”“C”的字母铅板进行成像，成像结果清晰可见（图1i），展现出PCN单晶X射线探测器良好的成像性能。本工作开发了Cs₃Bi₂I₉单晶生长的新方法，展现了高质量Cs₃Bi₂I₉单晶在X射线探测成像的应用潜力。

  图1. （a）对照组Cs₃Bi₂I₉单晶和（b）PCN单晶的实物图（右上）和光学显微镜图片，（c）两种单晶上表面的（006）晶面XRD摇摆曲线分析，（d）空间电荷限制电流方法计算PCN单晶的缺陷态密度，（e）两种单晶器件的暗电流曲线及计算的电阻率，（f）拟合两种单晶的光电导曲线得到μτ值，（g）两种单晶器件在不同电场下的灵敏度，（h）PCN单晶器件的信噪比与X射线剂量率的关系，线性外推得到器件的检测限和（i）Cs₃Bi₂I₉单晶X射线探测阵列成像结果。

  我院硕士研究生刘家阳为该论文第一作者，学院胡芹特任研究员为该论文通讯作者。相关研究得到了中央高校基本科研业务费专项资金、同步辐射联合基金、核探测与核电子学国家重点实验室开放课题等项目的资助，同时也得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心、中国科学技术大学理化科学实验中心、中国科学技术大学国家同步辐射实验室的支持。

（中国科学技术大学微电子学院）