Nature Photonics
刊发MODS团队溶剂工程具有长载流子寿命的反钙钛矿
2024年8月23号，Nature Photonics在线刊发了华中科技大学唐江教授领衔的单片集成光电子器件与系统团队（MODS）题为《 Anti-perovskites with long carrier lifetime for ultralow dose and stable X-ray detection》的研究论文。
本研究聚焦于开发一种新型的抗钙钛矿材料，用于高性能X射线探测器。钙钛矿材料因其高X射线吸收系数、低陷阱态密度和便捷的制造工艺而被广泛研究，但要在单一材料中实现高灵敏度、低暗电流和低检测限仍面临巨大挑战。研究表明，这一挑战的根本原因在于材料的载流子迁移率与载流子寿命之间的权衡关系。
本文提出了一种有机-无机混合抗钙钛矿材料，该材料在能带边缘具有低对称性和间接带隙，从而实现了超长的固有载流子寿命。该材料的载流子寿命超过3毫秒，载流子迁移率-寿命（μτ）积为6.25 × 10^−3 cm²V⁻¹，电阻率达到10¹² Ω·cm，远超传统钙钛矿探测材料。这些优异的性能使得基于此材料的X射线探测器表现出超低的暗电流、高灵敏度和极低的检测限。
图1. 展示了反钙钛矿结构及其载流子寿命的表征。图a展示了反钙钛矿的简化晶体结构，图b展示了合成的有机-无机杂化反钙钛矿的晶体结构。图c则记录了(2-Habch)₃Cl(PtI₆)和(2-Habch)₃I(TeI₆)单晶的时间依赖性光致发光（PL）光谱，表明这两种材料具有极长的载流子寿命。图d总结了多种典型X射线探测半导体的载流子寿命和平均原子数。
图2.展示了(2-Habch)₃Cl(PtI₆)的能带结构和相关性质。图a为(2-Habch)₃Cl(PtI₆)与(2-Habch)₃I(TeI₆)的吸光光谱对比，表明两者都具有间接带隙，带隙分别为1.37 eV和1.40 eV。图b通过Tauc图分析了间接带隙的拟合结果，表明这两个材料具有典型的间接跃迁特性。图c显示了通过密度泛函理论（DFT）计算得到的(2-Habch)₃Cl(PtI₆)的能带结构，揭示了该材料在所有方向上都表现出较为局域的电子特性，尤其是在VBM（价带最大点）和CBM（导带最小点）处。图d进一步展示了(2-Habch)₃Cl(PtI₆)的跃迁矩阵元素和VBM与CBM的电荷密度等值面图，表明该材料的跃迁矩阵元素较低，因此光致发光（PL）寿命较长。
图3. 展示了 (2-Habch)₃Cl(PtI₆) 单晶材料的电学特性及稳定性。(a) I-V 曲线：揭示单晶空穴器件的导电特性。(b) 光电导测试：随着偏压增加，器件表现出陷阱无关的 SCLC 传输特性。(c) 电阻率测量。(d) 其他材料对比。(e) 噪声功率谱密度。(f) 电流-时间曲线。
图4.展示了(2-Habch)₃Cl(PtI₆) X射线探测器的性能。a图展示了吸收系数与光子能量的关系。b图显示了探测器的光电流密度。c图提供了弱辐射剂量率下的i-t曲线。d图则显示了不同偏压下的信噪比。 f图展示了该探测器对X射线的时间响应。g-i图通过不同剂量率下的金属环图像展示了该探测器的成像能力。j图对比了使用MAPbI₃探测器拍摄的图像。
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01482-3
