钙钛矿CsPb2Br5单晶X射线探测器及其制备方法

本发明属于一种x射线探测器，涉及一种钙钛矿cspb2br5单晶x射线探测器及其制备方法。

背景技术：

1、不受有机阳离子尺寸限制的二维有机-无机杂化钙钛矿单晶(2d psc)是一种独特的软晶格系统，类似量子阱，由于具有结构多样和高水分稳定的优异性，使其在辐射(如x射线)探测器中，表现出巨大的应用潜力。在x射线检测方面，2d psc具有较大的平均原子数(z)、高迁移率(μ)，较长的载流子寿命(τ)，独特的耐缺陷性，优良的运行稳定性和较低的成本，被认为是x射线探测器最有前景的候选产品，可被应用于医学诊断、无损检测和安全筛查。

2、二维卤化物钙钛矿可以看作是沿三维钙钛矿晶格的晶体学平面做切片，产生二维晶格。其中，典型的2d psc包括ruddlesden-popper(rp)型和dion-jacobson(dj)型。一般而言，rp型和dj型可分别通过式a'2mx4和式a"mx4表征，其中a'表示rp型的一价(+1)有机阳离子，a"表示dj型的二价(+2)有机阳离子。

3、对于rp型的2d psc，feng等人在《fabrication of 2d perovskite(pma)2pbl4,crystal and cu ion implantation improved x-ray detector》中报道了一种由(pma)2pbi4(pma＝苯基甲基铵)制成的x射线探测器，在10v偏压下的灵敏度为150μc gyair-1cm-2，40kev软x射线下，在50v偏压下的灵敏度增加到283μc gyair-1cm-2。zhang等人在《optimizing interface conductivity in electronics》中报道了(o-f-pea)2pbl4 2dpsc探测器具有600μc gyair-1cm-2(20v)的灵敏度和优异的稳定性。对于dj型的2d psc，shen等人在《centimeter-sized single crystal of two-dimensional halide perovskitesincorporating straight-chain symmetric diammonium ion for x-ray detection》中报道了一种敏感的2d单天线(nh3c4h8nh3)pbi4 psc探测器，在10v/40kev下显示242μc gyair-1cm-2的灵敏度。此外，ma等人在《centimeter-sized 2d perovskitoid single crystalsfor efficient x-ray photoresponsivity》中报道的基于(3ap)pbcl4的x射线探测器在50v/40kev的偏压下显示出接近1900μc gyair-1cm-2的灵敏度。以上研究结果均表明，现存的二维钙钛矿单晶探测器的灵敏度均较低，且载流子迁移率也普遍低于三维钙钛矿。

4、当前二维钙钛矿通常采用有机阳离子作为隔离层，而有机阳离子由于自身导电性差，导致二维钙钛矿在面外的载流子传输性能差。而准二维cspb2br5晶体不仅通过cs-br化学键抑制了离子迁移，同时缩短了pbbr8多面体层间的距离，提升了面外的载流子传输性能。同时cspb2br5晶体的高原子密度可实现x射线吸收的高性能。

技术实现思路

1、本发明针对cspb2br5晶体达不到x射线探测器吸收层厚度的技术问题，提供钙钛矿cspb2br5单晶x射线探测器及其制备方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、第一方面，本申请提出一种钙钛矿cspb2br5单晶x射线探测器制备方法，包括：

4、s1，向氢溴酸溶液中加入溴化铅、溴化铯、含n和f的有机辅助试剂，在95-125℃下混合均匀，得到钙钛矿前驱体溶液；

5、s2，对所述钙钛矿前驱体溶液进行降温处理，降至室温，得到cspb2br5晶体；

6、s3，在所述cspb2br5晶体的两面蒸镀金属，得到钙钛矿金属电极；

7、s4，以钙钛矿金属电极作为x射线探测器中的电极，得到钙钛矿cspb2br5单晶x射线探测器。

8、进一步地，步骤s1中，所述溴化铅的浓度为0.10-0.20mol/l，溴化铯的浓度为0.05-0.10mol/l，有机辅助试剂的浓度为0.10-0.20mol/l。

9、进一步地，步骤s2中，所述降温速率1-6℃/天。

10、进一步地，步骤s2和步骤s3之间还包括步骤s2-3：

11、依次对所述cspb2br5晶体表面进行浸泡清洗和真空干燥。

12、进一步地，步骤s2-3中，所述浸泡清洗的浸泡时间为6h-8h；所述真空干燥的温度为60℃-80℃，时间为12h-24h。

13、进一步地，步骤s3中，所述金属包括金、铜、银、铝、钨、镍、铁或合金。

14、第二方面，本申请提出一种采用上述制备方法制备得到的钙钛矿cspb2br5单晶x射线探测器。

15、进一步地，所述cspb2br5晶体的厚度为0.5mm-1.5mm。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

17、1.本发明提出一种钙钛矿cspb2br5单晶x射线探测器制备方法，在制备前驱体溶液时，加入了含n和f的有机辅助试剂，使辅助试剂中的n、f原子与br-相互作用，增加了钙钛矿前驱体溶液的溶解度，进而从原理上增加了大尺寸晶体获得的可能性。同时，降低了同饱和浓度钙钛矿的溶解温度，降低了制备条件的苛刻性，提升了制备方法的安全性，以及晶体生长的普适性。另外，含n和f的有机辅助试剂，使其中的有机分子优先附着在cspb2br5晶体的高表面能晶面上，形成有机分子层，降低了晶体在对应高表面能晶面上的生长，提升了cspb2br5晶体在低表面能晶面上的生长速度，使cspb2br5晶体的厚度得到提升，能够满足x射线探测器件的吸收层厚度，为cspb2br5晶体向x射线探测器的集成化提供了实用的可能性。

18、2.本发明中制备钙钛矿前驱体溶液时的温度，以及溴化铅、溴化铯、含n和f的有机辅助试剂的浓度，配合降温处理的降温速率，能够得到最优性能的钙钛矿cspb2br5晶体。

技术特征：

1.一种钙钛矿cspb2br5单晶x射线探测器制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述钙钛矿cspb2br5单晶x射线探测器制备方法，其特征在于：步骤s1中，所述溴化铅的浓度为0.10-0.20mol/l，溴化铯的浓度为0.05-0.10mol/l，有机辅助试剂的浓度为0.10-0.20mol/l。

3.根据权利要求2所述钙钛矿cspb2br5单晶x射线探测器制备方法，其特征在于：步骤s2中，所述降温速率1-6℃/天。

4.根据权利要求1至3任一所述一种金属电极制备方法，其特征在于，步骤s2和步骤s3之间还包括步骤s2-3：

5.根据权利要求4所述一种金属电极制备方法，其特征在于，其特征在于：步骤s2-3中，所述浸泡清洗的浸泡时间为6h-8h；所述真空干燥的温度为60℃-80℃，时间为12h-24h。

6.根据权利要求5所述钙钛矿cspb2br5单晶x射线探测器制备方法，其特征在于：步骤s3中，所述金属包括金、铜、银、铝、钨、镍、铁或合金。

7.一种采用权利要求1至6任一所述制备方法制备得到的钙钛矿cspb2br5单晶x射线探测器。

8.根据权利要求7所述钙钛矿cspb2br5单晶x射线探测器，其特征在于：所述cspb2br5晶体的厚度为0.5mm-1.5mm。

技术总结
本发明属于一种钙钛矿X射线探测器制备方法。针对当前传统二维钙钛矿单晶探测器受限于晶体面外载流子传输能力差以及载流子收集效率低，提供一种钛矿CsPb<subgt;2</subgt;Br<subgt;5</subgt;单晶X射线探测器及其制备方法。通过使用新型二维CsPb<subgt;2</subgt;Br<subgt;5</subgt;晶体作为X射线吸收层。制备前驱体溶液时，加入了含N和F的有机辅助试剂，附着在表面能高的晶体表面，降低优势晶面的生长速度，同时增加了钙钛矿前驱体溶液的溶解度，这种方法获得了低缺陷态、高厚度、大尺寸的CsPb<subgt;2</subgt;Br<subgt;5</subgt;晶体。该晶体生长方法，解决了晶体生长的各向异性，获得了可应用于X射线探测的高质量单晶。将生长的晶体用于垂直结构的X射线探测，获得了8865.6mC Gy<subgt;air</subgt; cm<supgt;‑2</supgt;的灵敏度。为CsPb<subgt;2</subgt;Br<subgt;5</subgt;晶体向x射线探测器的集成化提供了实用的可能性。

技术研发人员：刘生忠,冯晓龙,张璐
受保护的技术使用者：陕西师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25