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大連化物所等研制應用于X射線成像零維非鉛鈣鈦礦單晶
2020年06月09日 08:49:13
來源：大連化學物理研究所 點擊量：4098
近日，中國科學院大連化學物理研究所薄膜硅太陽電池研究組研究員劉生忠團隊與陜西師范大學博士劉渝城、徐卓、楊周等合作，基于近年在高質(zhì)量大尺寸鈣鈦礦單晶生長的技術積累和完備的科研平臺，成功設計、集成了大尺寸零微結構非鉛(類)鈣鈦礦單晶高性能X射線成像器件。
【化工儀器網(wǎng) 科技前沿】近日，中國科學院大連化學物理研究所薄膜硅太陽電池研究組研究員劉生忠團隊與陜西師范大學博士劉渝城、徐卓、楊周等合作，基于近年在高質(zhì)量大尺寸鈣鈦礦單晶生長的技術積累和完備的科研平臺，成功設計、集成了大尺寸零微結構非鉛(類)鈣鈦礦單晶高性能X射線成像器件。
鈣鈦礦是指一類陶瓷氧化物，其分子通式為ABO3 ；此類氧化物早被發(fā)現(xiàn)，是存在于鈣鈦礦石中的鈦酸鈣(CaTiO3)化合物，因此而得名。由于此類化合物結構上有許多特性，在凝聚態(tài)物理方面應用及研究甚廣，所以物理學家與化學家常以其分子公式中各化合物的比例(1:1:3)來簡稱之，因此又名“113結構”。呈立方體晶形。在立方體晶體常具平行晶棱的條紋，系高溫變體轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏刈凅w時產(chǎn)生聚片雙晶的結果。
鈣鈦礦是以俄羅斯地質(zhì)學Preosvik的名字命名的，其結構通常有簡單鈣鈦礦結構、雙鈣鈦礦結構和層狀鈣鈦礦結構。簡單鈣鈦礦化合物的化學通式是，其中X通常為半徑較小的或，雙鈣鈦礦結構( Double-Perovskite) 具有 組成通式，層狀鈣鈦礦結構組成較復雜， 研究較多的是具有通式以及具有超導性質(zhì)的和三方層狀鈣鈦等。研究多的是組成為的鈣鈦礦結構類型化合物。
鈣鈦礦材料是近年發(fā)展快也是熱門的半導體材料之一。與鈣鈦礦微晶薄膜相比，低缺陷態(tài)、高遷移率和更穩(wěn)定的大尺寸鈣鈦礦單晶更適用于X射線等高能輻射探測。目前，已經(jīng)有幾種三維/二維(3D/2D)鈣鈦礦單晶材料被用于X射線探測器，但仍然存在很多不足。一方面，三維鈣鈦礦單晶具有高遷移率和大載流子擴散長度，但由于較高的載流子濃度，使得光電器件呈現(xiàn)很高的暗電流。此外，三維鈣鈦礦內(nèi)部離子容易遷移，尤其是在高電場下離子遷移異常明顯，導致探測器在工作狀態(tài)下不夠穩(wěn)定，器件信噪比低，基線漂移嚴重，響應不穩(wěn)定，甚至器件本身都容易損壞。
之前的研究表明，低離子遷移和高體相電阻率是保證高能射線探測器在高電場下穩(wěn)定輸出的必要條件，因此也是實現(xiàn)高性能X射線成像的巨大挑戰(zhàn)。此外，如何獲得高質(zhì)量、大尺寸的鈣鈦礦單晶，以及取代高毒性鉛元素而不犧牲光電性能，更是該領域的較大難題。
x射線探測器是一種將X射線能量轉(zhuǎn)換為可供記錄的電信號的裝置。它接收到射線照射，然后產(chǎn)生與輻射強度成正比的電信號。通常探測器所接受到的射線信號的強弱，取決于該部位的人體截面內(nèi)組織的密度。密度高的組織，例如骨骼吸收x射線較多，探測器接收到的信號較弱；密度較低的組織，例如脂肪等吸收x射線較少，探測器獲得的信號較強。這種不同組織對x射線吸收值不同的性質(zhì)可用組織的吸收系數(shù)m來表示，所以探測器所接收到的信號強弱所反映的是人體組織不同的m值，從而對組織性質(zhì)做出判斷。
該團隊采用低溫溶液生長策略，成功制備了大尺寸零維結構鉍基鈣鈦礦(CH3NH3)3Bi2I9(MA3Bi2I9)單晶。試驗證明，該單晶具有很高的X射線吸收率、很低的缺陷態(tài)密度、低離子遷移率、高體電阻率以及很好的環(huán)境穩(wěn)定性等。在MA3Bi2I9單晶上設計制備集成的X射線探測器表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。在60 Vmm-1的電場下，探測器的靈敏度達到1947.3 μCGyair-1cm-2，檢測限低于83 nGyairs-1，遠低于常規(guī)醫(yī)療診斷劑量標準(5.5 μGyairs-1)。此外，MA3Bi2I9單晶X射線探測器的基線漂移率為5.0×10-10 nAcm-1s-1V-1，比三維結構的MAPbI3鈣鈦礦單晶低7個數(shù)量級(2.0×10-3 nAcm-1s-1V-1)，保證了器件很好的工作穩(wěn)定性和高信噪比，從而實現(xiàn)了高靈敏穩(wěn)定的X射線成像。
資料來源：大連化學物理研究所、百科
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