——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國科學(xué)院辦院方針
近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所邵宇川研究員團(tuán)隊，基于二維鈣鈦礦微晶鈍化三維鈣鈦礦單晶表面缺陷實現(xiàn)靈敏且穩(wěn)定的輻射探測。相關(guān)成果以“基于二維鈣鈦礦微晶的表面鈍化提升三維鈣鈦礦單晶X射線探測器性能”為題發(fā)表于《光學(xué)學(xué)報》，并選為當(dāng)期的封面文章。
金屬鹵化物鈣鈦礦單晶材料因具有大載流子遷移率壽命乘積、大電阻率、高X射線衰減系數(shù)、高缺陷容忍度等優(yōu)勢。其中，以布里奇曼法（Bridgman）法制備的銫鉛溴（CsPbBr3）單晶被認(rèn)為是新一代最具競爭力的X射線半導(dǎo)體探測器材料。然而，熔融生長的晶錠需要完成金剛石線切割和表面拋光處理，才能得到適合于X射線探測的鈣鈦礦單晶。在晶錠表面處理的過程中，單晶表面可能引入大量缺陷，降低單晶器件的X射線探測性能。因此，解決CsPbBr3單晶因加工所產(chǎn)生的表面缺陷對于提升其輻射探測能力十分重要。
本研究針對CsPbBr3單晶表面因切割拋光所產(chǎn)生的表面缺陷，提出了使用二維（2D）微晶進(jìn)行表面鈍化的界面處理方法。將經(jīng)過加工處理的三維（3D） CsPbBr3單晶浸沒在苯乙基溴化胺（PEABr）前驅(qū)體酸溶液中，在單晶表面生長2D微晶，從而鈍化表面缺陷，提升探測器的穩(wěn)定性和探測性能。相較于以往所采用的2D鈣鈦礦界面鈍化所形成的異質(zhì)結(jié)而言，2D微晶在鈍化表面缺陷的同時，并不會因為2D鈣鈦礦層的存在而顯著限制載流子的傳輸，實現(xiàn)了鈍化缺陷與性能提升的平衡。實驗結(jié)果表明，采0.01 mol/L 的溶液進(jìn)行鈍化的 CsPbBr3單晶探測器，其靈敏度為9.55×104 μC·Gy-1·cm-2，探測極限低至13.8 nGy·s-1。這種有效的鈍化方法為實現(xiàn)高探測性能的鈣鈦礦X射線單晶探測器提供了具有指導(dǎo)性的后處理方案。
研究得到了上海市探索者計劃項目支持。
圖1 不同濃度溶液鈍化的 CsPbBr3單晶SEM圖像。（a）無鈍化，拋光后表面；（b）0.01 mol/L 鈍化；（c）0.015 mol/L 鈍化。
圖2 CsPbBr3單晶X射線探測性能。 （a）靈敏度；（b）探測極限；（c）金屬掩膜;（d）射線成像照片
