研究背景

金屬鹵化物鈣鈦礦因其光電特性，包括高X射線衰減能力、優(yōu)異的載流子傳輸性能和可調(diào)的帶隙，成為下一代X射線探測(cè)器領(lǐng)域中一類極具前景的材料。特別是單晶鈣鈦礦，由于其缺陷更少且沒(méi)有晶界，相比多晶材料展現(xiàn)出更優(yōu)越的性能，帶來(lái)了更高的靈敏度和更低的電子噪聲。這些特性對(duì)于醫(yī)學(xué)成像、工業(yè)無(wú)損檢測(cè)和科學(xué)研究等應(yīng)用至關(guān)重要。然而鈣鈦礦X射線探測(cè)器的廣泛應(yīng)用在制造和穩(wěn)定性方面仍面臨著重大挑戰(zhàn)。

一個(gè)主要障礙是生長(zhǎng)大尺寸、高質(zhì)量單晶的成本高昂且難度巨大。這類晶體的合成傳統(tǒng)上需要高純度的原材料，這不僅價(jià)格不菲，也顯著增加了生產(chǎn)成本。此外，生長(zhǎng)大尺寸單晶的工藝往往復(fù)雜而耗時(shí)。另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是許多鈣鈦礦材料（尤其是有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化類型）的本征不穩(wěn)定性，它們?cè)诒┞队跓帷駳饣蜷L(zhǎng)期輻射下容易發(fā)生降解，從而限制了器件的工作壽命。從戰(zhàn)略需求上看，當(dāng)前迫切需要開發(fā)能夠生產(chǎn)大尺寸、穩(wěn)定且高性能的鈣鈦礦單晶的低成本合成方法。這包括探索使用純度較低、因而價(jià)格更便宜的原材料，并深入理解特定雜質(zhì)在晶體生長(zhǎng)和器件性能中如何被容忍，甚至可能產(chǎn)生有益的影響。解決這些挑戰(zhàn)是推動(dòng)鈣鈦礦X射線探測(cè)器商業(yè)化，并充分發(fā)揮其在高性能、低成本成像應(yīng)用中潛力的關(guān)鍵。

針對(duì)上述問(wèn)題，由西南大學(xué)組成的團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技JS系列臺(tái)階儀進(jìn)行了系統(tǒng)研究，其核心創(chuàng)新在于顛覆性地發(fā)現(xiàn)，低成本原料中的碳酸鉛（PbCO?）雜質(zhì)反而能顯著提升鈣鈦礦單晶的質(zhì)量和X射線探測(cè)性能。

標(biāo)題：Impurity PbCO3 from Low-Purity Raw Material Improves MAPbBr3 Single-Crystalline X-ray Detectors

期刊：Journal of Physical Chemistry Letters

網(wǎng)址：https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5c02181

“反常識(shí)”的發(fā)現(xiàn)：雜質(zhì)竟是晶體質(zhì)量的“助推器”

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，制備高性能鈣鈦礦單晶必須使用昂貴的高純度（如99.999%）原材料，以避免雜質(zhì)引入缺陷。然而，西南大學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究顛覆了這一認(rèn)知。他們意外地發(fā)現(xiàn)，使用成本更低的低純度（99%）溴化鉛（PbBr?）原料生長(zhǎng)的MAPbBr?單晶，其透明度和表面光滑度反而優(yōu)于高純度原料制備的晶體。研究團(tuán)隊(duì)推測(cè)，這種性能提升的關(guān)鍵在于低純度原料中存在的一種主要雜質(zhì)——碳酸鉛（PbCO?）。為了精確定量這種表面質(zhì)量的差異，研究團(tuán)隊(duì)使用了澤攸科技的JS10A臺(tái)階儀對(duì)晶體表面粗糙度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果證實(shí)，含有PbCO?雜質(zhì)的目標(biāo)組晶體，其表面平整度比控制組晶體高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，這直觀地證明了該雜質(zhì)對(duì)抑制表面缺陷、改善晶體生長(zhǎng)質(zhì)量起到了積極作用。

圖1. (a) 控制組和目標(biāo)組MAPbBr?鈣鈦礦單晶的照片。(b)控制組和(c)目標(biāo)組MAPbBr?鈣鈦礦單晶的激光入射照片。(d) 控制組和目標(biāo)組晶體的透射式及偏光式光學(xué)顯微鏡圖像。(e) 控制組和目標(biāo)組的晶體粗糙度

揭示內(nèi)在優(yōu)勢(shì)：從力學(xué)到電學(xué)性質(zhì)的全面提升

為了探究PbCO?雜質(zhì)對(duì)晶體內(nèi)部性質(zhì)的深層影響，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列精密的表征。在力學(xué)性能方面，通過(guò)納米壓痕測(cè)試發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)組晶體的楊氏模量在不同位置高度一致，而控制組則表現(xiàn)出較大波動(dòng)，這表明PbCO?的加入使得晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加均勻，減少了結(jié)構(gòu)缺陷。在電學(xué)性質(zhì)上，開爾文探針力顯微鏡（KPFM）測(cè)量顯示，目標(biāo)組晶體具有更均勻的表面電勢(shì)和更高的功函數(shù)。X射線光電子能譜（XPS）分析進(jìn)一步揭示，目標(biāo)組晶體的鉛（Pb 4f）和溴（Br 3d）的芯能級(jí)向更高的結(jié)合能移動(dòng)。這些結(jié)果共同指向一個(gè)結(jié)論：PbCO?的存在有效鈍化了晶體表面和內(nèi)部的缺陷，使得晶體“更具本征性”，為器件性能的提升奠定了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。

圖2. (a) 控制組和 (b) 目標(biāo)組不同位置的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(c) 控制組和目標(biāo)組MAPbBr?鈣鈦礦單晶在不同位置的楊氏模量

圖3.（a）對(duì)照組和（b）目標(biāo)組MAPbBr?鈣鈦礦單晶的開爾文探針力顯微鏡圖像；（c）對(duì)照組與目標(biāo)組鈣鈦礦單晶的能量帶結(jié)構(gòu)；（d）對(duì)照組與目標(biāo)組晶體的Pb 4f和（e）Br 3d的X射線光電子能譜圖譜

性能的飛躍：實(shí)現(xiàn)更高靈敏度與更低探測(cè)極限

優(yōu)異的材料性質(zhì)最終轉(zhuǎn)化為了探測(cè)器性能的巨大飛躍。基于含有PbCO?雜質(zhì)的單晶所制備的X射線探測(cè)器，其關(guān)鍵性能指標(biāo)得到了顯著增強(qiáng)。與控制組相比，目標(biāo)組器件的載流子遷移率壽命積（μτ值）從9.1 × 10?3 cm2 V?1提升至1.3 × 10?2 cm2 V?1。在實(shí)際X射線探測(cè)中，其靈敏度從2860.86 μC Gy_air?1 cm?2提升至5625.77 μC Gy_air?1 cm?2，幾乎翻了一倍。更為關(guān)鍵的是，其低探測(cè)極限從6.36 μGy_air/s大幅降低至20 nGy_air/s，降幅高達(dá)約300倍，這使得探測(cè)器能夠勝任對(duì)微弱輻射信號(hào)的精準(zhǔn)捕捉。此外，器件的暗電流漂移更小，工作穩(wěn)定性也得到明顯改善，展現(xiàn)了其在低成本、高性能X射線成像領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

圖4.（a）對(duì)照組與目標(biāo)組空穴-only器件的載流子遷移率-壽命積；（b）對(duì)照組與目標(biāo)組空穴-only器件的空間電荷限制電流曲線；（c）對(duì)照組器件的信噪比；（d）對(duì)照組與（e）目標(biāo)組器件在不同工作偏壓下的靈敏度；（f）目標(biāo)組器件的信噪比

圖5.（a）目標(biāo)組器件對(duì)帶螺帽螺釘進(jìn)行X射線成像的示意圖；（b）分別由高純度和低純度原料生長(zhǎng)的單晶器件的暗電流漂移；（c）分別由高純度和低純度原料生長(zhǎng)的單晶器件在多次X射線開關(guān)循環(huán)下的響應(yīng)

澤攸科技JS系列臺(tái)階儀作為國(guó)產(chǎn)高精度表面測(cè)量設(shè)備的代表，憑借其創(chuàng)新的技術(shù)架構(gòu)、靈活的應(yīng)用場(chǎng)景及可靠的測(cè)量性能，可以對(duì)微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行膜厚和臺(tái)階高度、表面形貌、表面波紋和表面粗糙度等的測(cè)量，在高校、研究實(shí)驗(yàn)室和研究所、半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體、高亮度LED、太陽(yáng)能、MEMS微機(jī)電、觸摸屏、汽車、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。作為國(guó)產(chǎn)科學(xué)儀器的突破性成果，JS系列臺(tái)階儀打破了國(guó)外品牌在表面測(cè)量設(shè)備領(lǐng)域的長(zhǎng)期壟斷，憑借高性價(jià)比與本地化服務(wù)優(yōu)勢(shì)，成為國(guó)內(nèi)高校、科研機(jī)構(gòu)及制造企業(yè)的優(yōu)選設(shè)備。