导读

    2024年4月1日， Journal of Materials Chemistry C在线刊发了华中科技大学唐江教授课题组题为《Direct X-ray detection made of zero-dimensional hybrid metal halide perovskite single crystal》的研究论文。论文第一作者为郑光亚博士生，通讯作者为唐江教授、徐凌教授和巫皓迪博士。论文第一单位为华中科技大学。

研究背景

近几年，由于金属卤化物钙钛矿具有出色的X射线衰减能力、高迁移寿命乘积值（μτ）以及简单的溶液法制备，金属卤化物钙钛矿引起了人们对X射线探测应用的关注。与三维钙钛矿单晶相比，零维金属卤化物钙钛矿单晶的结构稳定性明显更高，离子迁移减少，自俘获增强，电荷输运各向异性增强。

虽然，卤化铅钙钛矿光伏和光电探测研究中已经取得了许多进展，但由于使用有害的铅和众所周知的离子迁移特性，它们的实际应用仍然受到限制。因此，研究一种新型的金属卤化物钙钛矿，为进一步的X射线探测应用提供了必要的条件。

卤化镉金属卤化物钙钛矿也以形成低维阴离子结构而闻名，如 [CdX₄] 四面体或 [CdX₆] 八面体。尽管如此，镉基金属卤化物钙钛矿研究主要集中在通过使用有机阳离子进行结构调节，在高能射线探测，尤其X射线探测方面的探索仍然有限。这种不足促使我们通过选择合适的有机组分作为阳离子模板，探索一种简单的合成方法来调节零维杂化镉基钙钛矿的X射线探测的特性。

研究内容及结果

唐江教授团队针对卤化铅钙钛矿中含有害元素和众所周知的离子迁移特性的核心问题，研究了一种新型的金属卤化物钙钛矿。通过在无机氯化镉骨架中引入大空间位阻有机阳离子（甲基三苯基膦，C19H18P+），设计了一种新型零维镉基金属卤化物钙钛矿，得到了尺寸为6×5×3 mm3的单晶。研究了生长的(C19H18P)2CdCl4单晶的晶体结构、光学特性和电学行为。此外，利用(C19H18P)2CdCl4单晶成功制备了X射线探测器，在1000 V（333 V mm−1）偏置电压下，显示出直接将X射线辐射转换为电信号的高灵敏度，其值为~143.6 μC Gyair−1cm−2。此外，它具有超稳定的响应电流并保持稳定的基线，最小的暗电流漂移速率低至7.34×10−4pA cm−1s−1V−1。本研究为新型杂化金属卤化物钙钛矿的应用开辟了一条新的途径，特别是在高能辐射探测器领域。

图1. (a) (C₁₉H₁₈P)₂CdCl₄单晶的照片；(b) (C₁₉H₁₈P)₂CdCl₄的粉末XRD谱图；(c) (C₁₉H₁₈P)₂CdCl₄晶体结构；(d) (C₁₉H₁₈P)₂CdCl₄单晶结构中的(C₁₉H₁₈P)⁺有机阳离子和[CdCl₄]²⁻无机阴离子。

图2. (a) 垂直电极的(C₁₉H₁₈P)₂CdCl₄单晶器件在X射线源下的暗电流和光电流；(b) (C₁₉H₁₈P)₂CdCl₄单晶器件的光导测量；(c) 不同剂量率下X射线辐照对器件性能的影响，用蓝色标记表示剂量率（单位：μGyair s⁻¹），施加的偏置电压为1000 V；(d) 在不同的偏置电压下，研究了剂量率与响应电流密度的关系，X射线探测的灵敏度可以通过计算拟合线的斜率来确定；(e) (C₁₉H₁₈P)₂CdCl₄单晶器件在不同电压水平下的X射线探测灵敏度；(f) (C₁₉H₁₈P)₂CdCl₄单晶X射线探测器3个周期曲线【开（1分钟)关（2分钟）】，施加的偏置电压为1000 V（333 V mm⁻¹），剂量率为580 μGyair s⁻¹。

致谢

该工作得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划，中国博士后科学基金，湖北省自然科学基金和深圳基础研究基金等项目的资助，同时感谢华中科技大学肖泽文教授课题组的支持和帮助。

论文链接

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/tc/d4tc00594e