[发明专利]一种基于钙钛矿单晶的X射线探测器及其制备方法

说明书

一种基于钙钛矿单晶的X射线探测器及其制备方法，属于光电探测器技术领域。所述X射线探测器由钙钛矿单晶以及位于钙钛矿单晶两侧的Au和Ga电极组成。本发明通过改进的缓慢升温方法生长得到FAPbBr₃钙钛矿单晶，其是在钙钛矿单晶生长液中先制备籽晶晶粒，之后挑选形状规则的籽晶转移至新配置的溶液中进行继续生长，直至合适大小，完成单晶制备。接着通过蒸镀和黏结的方式制作Au和Ga电极，完成钙钛矿单晶X射线探测器的制备。本发明可以制备出结晶性好、形貌规整FAPbBr₃钙钛矿单晶，具有更高的载流子迁移率、更长的载流子寿命和更好的稳定性等优势，因而得到的X射线探测器可以实现电荷传输性能优异、响应速度快、较低的暗电流和噪声，以及极好的稳定性。

技术领域

本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种基于钙钛矿单晶的X射线探测器及其制备方法。

背景技术

高灵敏且低成本的X射线探测器在成像、工业材料检查、核电站安全、国防、医学和科学研究等领域中有着广泛的应用。半导体X射线探测器将X射线光子直接转换为电信号，与传统的闪烁体探测器相比，可以实现更好的空间分辨率和探测最低限制。高探测灵敏度和低探测极限被认为是X射线探测器的关键指标，在实际应用中需要减少总的X射线照射剂量。高效的半导体X射线探测器需要材料具备以下特性：大的衰减系数（α），以有效地与X射线光子相互作用并产生自由电荷；较大的载流子迁移率（µ）和寿命（τ）乘积，以确保高电荷收集效率；高电阻率和可忽略的漏电流，以实现低探测极限。目前，只有极少数用于X射线探测器的半导体能够结合上述特征来表现出优异的性能，其中包括非晶态硒（α-Se），硅和CdZnTe。然而，这些材料在晶体生长中都会存在固有的缺陷或持续的未解决的问题。

近年来，有机-无机卤化物钙钛矿在光伏、发光二极管等应用领域中都取得了惊人的成绩。此外，钙钛矿材料还展现出许多对X射线探测器的有利进展。与传统的CdTe和α-Se探测器相比，铅（Pb）和卤化物的高原子序数可以实现更好的衰减系数。低缺陷密度和较小的电荷载流子有效质量可具有较大而均衡的µτ乘积，从而有效收集电荷。因此，钙钛矿已经成为具有广阔前景的新一代X射线探测材料。

有机-无机卤化物钙钛矿材料的有机和无机组分之间的结合力弱，在氧气、热和湿气侵蚀下极易发生结构退化，导致钙钛矿光电器件的稳定性存在严重问题。目前的钙钛矿光电器件多数以多晶形貌的薄膜为主，其表面和晶界处存在高密度的缺陷，从而降低载流子迁移率，并增加载流子的复合概率，这会严重影响基于有机-无机卤化物钙钛矿材料的X射线探测器的灵敏度、性能稳定性和使用寿命。而相对于多晶薄膜器件，钙钛矿晶体材料展现出更优异的内在性能，包括较高的载流子迁移率，较长的载流子扩散长度和较低的陷阱密度，这使其拥有了突出的光伏性能，同时也成为X射线探测器的理想材料。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种基于钙钛矿单晶的X射线探测器及其制备方法，基于HC(NH₂)₂PbBr₃（FAPbBr₃）钙钛矿单晶的生长方法简单，成本低，且晶体具有结晶质量高、形貌规则等特点，得到的X射线探测器实现了高灵敏度，低检测限。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于钙钛矿单晶的X射线探测器，其由钙钛矿单晶以及位于钙钛矿单晶两侧的电极组成，所述钙钛矿单晶为FAPbBr₃，该探测器由如下步骤制备得到：

一、制备钙钛矿单晶

1)制备FAPbBr₃溶液：将摩尔比为0.8~1.25：1的FABr和PbBr₂混合溶解到体积比为0~1：1的γ-丁内酯（GBL）和二甲基甲酰胺（DMF）溶液中，然后在室温下混合搅拌8~12 h至钙钛矿材料全部溶解，得到FAPbBr₃溶液；