近日，我所薄膜硅太阳电池研究组（DNL1606组）刘生忠研究员团队与陕西师范大学张云霞博士、刘渝城博士等合作，在高温下稳定工作的类钙钛矿单晶X射线探测器研究中取得进展。
　　X射线探测器广泛应用于医学诊断、环境监测、工业无损检测、安全检查等领域。现用于X射线探测的材料普遍存在制备温度高、工艺复杂、成本高等特点。近几年，低成本、制备工艺简单的有机无机杂化铅卤钙钛矿在直接X射线探测方面已展现出优异的性质，如X射线吸收系数高、检测限低以及灵敏度高等。
　　目前，有机无机杂化铅卤钙钛矿要实现进一步应用还存在以下几个挑战：（1）含有大量的高毒性铅，会限制其广泛应用；（2）含有有机组分，其热稳定性较差；（3）离子迁移率高，使得制备的器件工作稳定性差，尤其是需要在高电场下工作的X射线探测器，离子迁移导致非常明显的响应不稳定性；（4）体电阻率低，使得器件产生较高的暗电流。以上几个问题极大地限制了有机无机杂化钙钛矿材料在X射线探测方面的应用。
　　
　　全无机Cs₃Bi₂I₉单晶具有热稳定性好（550 ℃不分解）、不含高毒性铅、离子迁移率低和体电阻率高等特点，很好地解决了有机无机铅卤钙钛矿存在的不足。然而，Cs₃Bi₂I₉的结构为缺陷型钙钛矿，这种材料在低温溶液中一旦达到临界点，极易成核，即在存在优势晶核的条件下，也会继续大量成核，难以控制。因此，低温溶液法生长大尺寸、高质量的Cs₃Bi₂I₉晶体存在一定的挑战。针对这一难点，团队开发了一种成核控制的低温溶液法来培养大尺寸的Cs₃Bi₂I₉钙钛矿单晶。利用该技术，成功获得厘米级大小的高质量单晶。更重要的是，Cs₃Bi₂I₉单晶具有X射线吸收效率高、缺陷态密度低、离子迁移率低、噪声电流低等优势，因此，使用Cs₃Bi₂I₉单晶制备的探测器对X射线表现出较高的探测性能。在50 Vmm^-1的电场强度下，Cs₃Bi₂I₉单晶X射线探测器的灵敏度达到1652.3 μCGy_air^-1cm^-2，检测限为130 nGy_airs^-1。该器件具有稳定的基线和输出信号，展现出优异的成像能力。此外，Cs₃Bi₂I₉单晶优异的热稳定性保证了该单晶X射线探测器在100 ℃高温下也可以稳定工作。该研究使用了一种简单方法培养大尺寸钙钛矿单晶，有助于推动钙钛矿材料在X射线探测方面的应用。
　　相关研究成果发表在《自然-通讯》上（Nature Communications）。该工作得到了国家自然科学基金项目、中国国家重点研究与发展计划项目、陕西省科技创新引导项目等的资助。（文/图 段连杰、张云霞）