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超強(qiáng)激光科學(xué)卓越創(chuàng)新簡報(bào)

(第七百期)

2025年9月2日

上海光機(jī)所在鈣鈦礦光電探測器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定靈敏輻射探測方面取得進(jìn)展

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所邵宇川研究員團(tuán)隊(duì)，基于體相離子遷移的主動(dòng)修復(fù)方法實(shí)現(xiàn)了低漂移、高靈敏度的鈣鈦礦X射線探測器。相關(guān)研究成果以“Low-Drift and High-Sensitivity Perovskite X?ray Detector through Proactive Healing of Bulk Ion Migration” 為題發(fā)表于ACS Applied Materials & Interfaces。

金屬鹵化物鈣鈦礦作為最具潛力的X射線探測材料，其光電性能已大幅超越傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，但由于其穩(wěn)定性的限制，使得在商業(yè)上的應(yīng)用受到了極大的阻礙。鈣鈦礦器件的穩(wěn)定性主要包括環(huán)境穩(wěn)定性與電場穩(wěn)定性兩方面，其中環(huán)境穩(wěn)定性能夠通過封裝屏蔽環(huán)境水氧解決，但電場穩(wěn)定性卻因偏置電壓驅(qū)動(dòng)下離子遷移導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)。因此，解決鈣鈦礦器件的電場穩(wěn)定性是決定其能否真正取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體輻射探測器件的關(guān)鍵問題。

本研究針對(duì)鈣鈦礦材料的場致離子遷移現(xiàn)象，提出了交流電壓法以主動(dòng)修復(fù)偏置電壓下的離子遷移，避免了離子持續(xù)遷移積累所導(dǎo)致的器件失效，從而實(shí)現(xiàn)工作過程中的長期穩(wěn)定。針對(duì)電流穩(wěn)定性進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，相比較于直流偏置下的電流持續(xù)漂移，本研究所提出的交流電壓法僅在新器件初始施加電壓的過程中表現(xiàn)為輕微的初始衰減，斷電后再次施加則不會(huì)重復(fù)這一過程。電流的衰減被證明為器件缺陷降低的結(jié)果，光電響應(yīng)的提高也進(jìn)一步驗(yàn)證這一現(xiàn)象，因此，交流電場可以作為一種電場預(yù)處理手段，用于降低鈣鈦礦材料缺陷。在此基礎(chǔ)上，基于電場預(yù)處理后的Au/MAPbBr₃/Au器件實(shí)現(xiàn)了～10^?6 nA cm^?1 V^?1 s^?1的低暗電流漂移及5.43 × 10⁴ (空穴)和4.78 × 10⁴ (電子) μC Gy_air^?1 cm^?2的高靈敏度，并進(jìn)行了低劑量下的X射線成像。該研究不僅展示了對(duì)鈣鈦礦器件離子遷移主動(dòng)修復(fù)的深刻見解，而且提供了有效的預(yù)處理和工作策略。

相關(guān)工作得到上海市探索者項(xiàng)目支持。

原文鏈接

圖1. 基于交流電壓法的離子遷移主動(dòng)修復(fù)策略。（a）交流電壓法下的電壓序列；（b）電場驅(qū)動(dòng)下的離子遷移；（c）Au/MAPbBr₃/Au器件在直流偏置、脈沖電壓與交流電壓下的電流-電壓曲線；（d）Au/MAPbBr₃/Au器件在直流偏置與交流電壓下的長期穩(wěn)定性。

圖2. Au/MAPbBr₃/Au器件成像。（a）成像示意圖；（b）基于交流電壓法的低劑量成像。