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：第一，含有大量的高毒性铅，会限制其广泛应用；第二，含有有机组分，热稳定性较差；第三，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；第四，体电阻率低，使得器件产生较高的暗电流。这些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，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。
研究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，成功获得厘米级大小的高质量单晶。这种单晶具有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 μCGyair-1cm-2，检测限为130 nGyairs-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。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。
该研究使用的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。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-020-16034-w
来源：中国科学报
