[发明专利]一种卤化钙钛矿单晶、制备方法及其在制备X射线探测器中的应用

说明书

一种卤化钙钛矿单晶、制备方法及该单晶在制备X射线探测器中的应用，属于X射线探测器技术领域。本发明开发出了溶剂挥发控制生长卤化物钙钛矿单晶的方法，主要通过调控生长温度和溶液开口面积等因素使晶体生长速率恒定，生长出晶体缺陷态密度更低和载流子迁移率‑载流子寿命沉积更高的钙钛矿单晶。聚氧化乙烯被用来钝化钙钛矿单晶表面的缺陷，显著减少了晶体表面缺陷和表面泄漏电流，使晶体具有更大的电阻率和更低的噪音电流信号。制备的X射线探测器在120keV硬射线下的灵敏度达到1274μC·Gy_air·cm²，最低检测量低至0.56μGy_air·s^‑1，满足医学成像应用的要求，可应用于金属材料组分分析与探伤检测。

技术领域

本发明属于X射线探测技术领域，具体涉及一种卤化钙钛矿单晶、通过控制溶剂挥发生长的制备方法，及该单晶在制备X射线探测器中的应用。

背景技术

由于X射线具有强大的穿透能力并且能够无损探测到物体内部的信息，在医疗成像、安全检查、运输集装箱检查、材料质量检验和科学研究等领域均有广泛应用。对于X射线探测器来说，在较低的X射线剂量下仍然具有较高的灵敏度才能广泛的运用在各个领域，灵敏度和最低检测剂量是其最为重要的参数之一。

近几年，钙钛矿材料因其具有较低的缺陷态密度、较大的载流子迁移率、载流子寿命和扩散长度，在辐射探测领域表现出的优异性能被视为新一代X射线探测半导体材料。钙钛矿材料包括钙钛矿单晶材料和钙钛矿多晶材料，钙钛矿单晶具有更低的缺陷态密度，提供了研究半导体材料光电性质的独特平台，这显著推动了卤化钙钛矿单晶生长方法的研究。目前已经报道了逆温结晶法、温度降低结晶法、反溶剂挥发结晶法、液体扩散分离诱导结晶法等生长钙钛矿单晶的方法。然而，这些传统的晶体生长方法中晶体生长速率一直受到溶质在晶体表面的沉积速率和溶质在晶体溶液中的扩散速率的限制，晶体生长时的溶剂挥发过程一直没有得到研究和报道。

钙钛矿表面的缺陷态是抑制其性能提升的关键因素，缺陷态钝化技术在太阳能电池领域广为报道。然而，在X射线探测领域研究报道较少，利用缺陷态钝化的方法提高X射线探测器性能方面需要进行一些探索。钙钛矿单晶器件在X射线探测领域发展迅速，但是仍然缺乏钙钛矿X射线探测器的实际应用开发。因此，可以从控制溶剂挥发生长晶体的角度出发制备高质量钙钛矿单晶，然后对其进行缺陷态钝化研究，再进一步设计高性能的X射线探测器，最后开发X射线探测器相关的实际应用。

发明内容

本发明的内容主要包括以下三个方面：(1)开发了一种简单可靠的通过控制溶剂挥发生长卤化钙钛矿单晶的新方法，并对其生长机理进行了解释。研究了晶体生长与溶剂挥发的关系，使晶体的生长速率恒定，成功打破了传统的溶质沉积速率的限制，建立了溶剂挥发生长晶体模型，制备更低缺陷态密度和更高载流子迁移率-载流子寿命乘积的高质量的钙钛矿单晶。

(2)研究了聚氧化乙烯(PEO)、O₂、O₃中氧原子钝化对钙钛矿表面缺陷的影响，PEO展现出了优异的钝化效果，显著增大了钙钛矿单晶的电阻率并降低了其噪音电流。PEO分子结构式如下:

(3)开发出高性能甲胺溴化铅钙钛矿(MAPbBr₃)单晶X射线探测器，并利用其开发了合金材料组分含量分析与探伤检测的实际应用。

本发明所述的一种通过控制溶剂挥发制备卤化钙钛矿单晶的方法，其步骤如下：