灵敏、稳定的零维非铅钙钛矿X射线探测器

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溶液法制备了英寸尺度的MA3Bi2I9(MA+=CH3NH3+)单晶样品。使用金刚线切割加工钙钛矿晶体,并研究了不同晶向对X射线探测性能的差异。MA3Bi2I9材料中(Bi2I9)3-单元均匀分布并被MA+离子分隔。这一零维结构特征导致该材料具有较大的离子迁移能垒(0.46 eV)和较低的载流子浓度(~106 cm-3),对获取高灵敏度、低检测下限且工作稳定的探测器十分关键。所制备的MA3Bi2I9探测器对100 kVp X射线的检测下限小于1 nGyair s-1,比商用非晶硒成像面板探测限低三个数量级,远低于医疗成像所要求的5.5μGyairs-1的剂量率要求;与此同时,探测器的灵敏度~10,000μC Gyaircm-2,与三维钙钛矿X射线探测器的灵敏度相当,是商用非晶硒探测器最佳灵敏度的25倍;值得指出的是,低探测下限与高灵敏度可在MA3Bi2I9晶体中沿c轴方向同时实现,与文献报道的二维(NH43Bi2I9在不同方向获取高灵敏度与低探测下限显著不同。所制备的探测器在大偏压的工作条件下经过>20万次胸透所需射线剂量辐照后,探测器的X射线探测性能无衰减,展现了器件极优的稳定性。相比商用非晶硒探测器,MA3Bi2I9探测器在保持低制作成本的情况下,有望大幅降低医疗成像过程中X射线的使用剂量需求,从而降低辐射防护的难度和减少辐射造成的有害效应;更为重要的是,基于MA3Bi2I9的X射线探测器可以弥补非晶硒成像面板对硬X射线响应不灵敏的缺点,大大拓宽直接转换型X射线成像面板的适用范围。此项研究展示了MA3Bi2I9探测器在医疗成像、安检、环境核辐射监测等领域具有巨大的潜在应用价值。
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