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老三篇原文:钙钛矿X Ray探测器研究进展

时间: 2019-03-14阅读:

摘要 近年來钙钛矿材料由于具有合适的带隙,并且带隙可调,吸收系数高,以及优异的载流子运输性能等优点,在X射线探测器领域得到了广泛的研究。本文主要阐述X射线探测器的性能指标和钙钛矿材料性质的研究进展,并对未来研究方向进行展望。

【关键词】平板 探测器 钙钛矿

1 钙钛矿的结构

“钙钛矿”一词归因于钛酸钙(CaTi03)的晶体结构,使用AB03表示。钙钛矿材料具有光子吸收性强,能带宽度可以调节,激子束缚能很小,载流子的寿命长,扩散距离长等优点,使其作为X光吸收材料在光电探测器方面有重大潜在应用。

2 钙钛矿型探测器结构

钙钛矿型探测器为直接式探测器,即钙钛矿直接把X Ray转化为光电子,通过TFT背板逐行扫描的模式读取电荷,通过外围电路处理,输出图像。

3 钙钛矿探测器的性能研究

3.1 低剂量

X射线辐射,对人体有伤害,剂量大较容易造成癌变,医疗规定小于5.5μGyairs-1,实际要求越低越好,尤其在动态拍摄中,持续照射,剂量要求更高。美国黄劲松团队Si基单晶钙钛矿材料最小剂量为0.036μGyairS-1。

3.2 高灵敏度

灵敏度是指单位X射线照射下产生的电子数,主要由四个因数决定:X射线吸收率,X射线转换系数,填充系数和PIN光电转换系数。要求材料低剂量下产生多电子,一般要求材料X射线吸收系数大,电子和空穴产生能低。电子与空穴的迁移寿命乘积较大,保证更多的电子可以迁移到电极上,效率提升。美国黄劲松团队制备的Si基钙钛矿材料,减少了漏流,提高了灵敏度,实验测试为2.1xl04μCGyair-1cm-2。

3.3 稳定性

非晶硒探测器限制其广泛使用的原因是温度敏感,容易损坏,一般要求温度不超过35℃,否则发生晶化或硒薄膜剥离,导致材料性能劣化。故材料的稳定性尤为重要,唐江团队使用一步溶液法合成的单晶钙钛矿最高可以承受的温度为430℃。

4 钙钛矿材料的研究进展

4.1 X射线吸收系数

X射线照射在物质表面上发生瑞利散射和透射,造成X射线的损失。要求X射线被吸收的越多越好,X射线吸收系数α代表射线束穿过材料被吸收的程度。α∝Z4/E3(Z代表原子序数,E代表X射线光子能),要求原子序数越大越好。

4.2 电子空穴产生能

电子,空穴产生能W±是决定x射线探测材料有效性产生载流子的一个重要参数。要求尽可能低,这样每一个被吸收的x射线光子可以产生最大数目的电子.空穴对数。除a-Se外,W±不同程度线性依赖于材料禁带宽度Eg,Klein规则认为W±=1.43+2Eg,近似关系为3Eg。

4.3 电子与空穴的迁移率寿命乘积

直接式平板探测器的钙钛矿层产生的光电子和空穴越多传输到收集电极处,效率越高,这样就要求载流子在单位电场的迁移距离越远越好,一般载流子迁移率寿命乘积(μt)来标示,其中μ代表载流子迁移速率,t代表载流子迁移寿命,唐江团队合成Cs2AgBiBr6μt为6.3x10-3cm2V-1,高于非晶硒μt的10-7cm2V-l。

4.4 漏电流

漏电流会影响探测器的动态范围以及增加噪声水平,从而降低了信噪比。PI材料具有较高的电阻(1O18Ωcm),可以作为空穴阻挡层。韩国三星团队使用两步溶液法制备的钙钛矿探测器使用PI和禁带宽度比较高的MAPbBr3作为空穴阻挡层,取得较好效果。唐江团队使用高电阻的Cs2AgBiBr6(电阻为109-1011Ωcm),在-1V偏转电压时,测得漏流为0.15nAcm'2。

4.5 表面缺陷

电荷势井会捕获载流子影响探测器的残影性能,势井主要由存在钙钛矿和电极界面,以及钙钛矿本身的晶界,一般通过优化界面,或使用熔融和溶剂退火方法使晶粒长大,也有通过表面钝化的方法来降低缺陷减少漏流。黄劲松团队通过反相法制备单晶MAPbBr3,然后通过UV-O钝化后,缺陷密度降低10倍至3x106-7xl07cm2V-1。

5 结论

钙钛矿材料具有合适的带隙,并且带隙可调,较高的吸收系数,以及优异的载流子运输性能等优点。在钙钛矿探测器研究方面,通过单晶制备或是成分参杂,钙钛矿的灵敏度最高可以达到2.1xl04μ CGyair"cm。2,最小剂量为0.036μGyairS-1,漏流为0.15nAcm-2。并且在430℃保持性能稳定使钙钛矿已经基本达到了直接平板探测器光转化层的要求。

未来钙钛矿探测器还是要求无铅化,需要成分参杂来提供性能,同时也需要改进方法进行大面积单晶制备,关于表面缺陷方面,需要进一步寻找新的处理方法,最终制备出无毒,大面积,性能优良的钙钛矿平板探测器。

参考文献

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