本研究由 Sergii Yakunin、Dmitry N. Dirin、Yevhen Shynkarenko、Viktoriia Morad、Ihor Cherniukh、Olga Nazarenko、Dominik Kreil、Thomas Nauser 和 Maksym V. Kovalenko 等人合作完成。相关研究人员主要来自瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）无机化学实验室、瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）薄膜与光伏实验室，以及乌克兰国家科学院物理研究所。该研究成果以题为《Detection of gamma photons using solution-grown single crystals of hybrid lead halide perovskites》的学术论文，于2016年7月25日在线发表在《自然·光子学》（*Nature Photonics*）期刊上。
该研究的学术背景聚焦于半导体材料科学与辐射探测技术领域。大多数放射性同位素的衰变都会释放能量介于约50 keV至10 MeV的伽马（γ）光子。在国防、医学研究以及科学研究等多个领域，对能够在室温下工作、低成本且高灵敏度的硬辐射探测器有着持续的需求。传统的固态半导体伽马探测器，如超高纯度的碲化镉（CdTe）和碲锌镉（CZT）单晶，虽然性能优异，但其制备通常需要复杂的熔体生长法（如提拉法），导致成本高昂，限制了其大规模应用。因此，寻找一种兼具高性能、低成本和简易制备工艺的新型探测材料具有重要意义。金属卤化物钙钛矿（Perovskite）半导体是近年来兴起的一类明星光电材料，以其优异的光电性能和显著的缺陷容忍度而闻名，已成功应用于太阳能电池、光电探测器、发光二极管和激光器等领域。前期研究已证明钙钛矿材料对软X射线具有光电导响应。本研究旨在系统性地探索溶液法生长的杂化铅卤钙钛矿单晶（Single Crystals, SCs）用于探测高能伽马光子的可能性，并评估其在单光子计数和能谱分辨等高端探测应用中的潜力，最终目标是为开发下一代低成本、高性能的室温伽马探测器提供材料基础。
本研究的工作流程详尽，包含晶体生长、性能表征、辐射探测测试及实际应用验证等多个环节。
首先，研究团队合成了多种不同组分的杂化铅卤钙钛矿单晶，包括碘化甲胺铅（MAPbI3）、碘化甲脒铅（FAPbI3）、溴化甲胺铅（MAPbBr3）、氯化甲胺铅（MAPbCl3）、溴化甲脒铅（FAPbBr3）以及碘处理的MAPbBr3。晶体尺寸在3至12毫米之间，采用了两种低成本溶液生长法：一是基于饱和水溶液的方法，二是基于非水极性有机溶剂的反温度溶解度法。这两种方法使用的原料均为市售的中等纯度廉价试剂，前驱体到晶体的产率可达50%，估算晶体成本仅为每立方厘米0.5至1.0美元，凸显了其经济性优势。在所有组分中，基于碘化物的体系（MAPbI3、FAPbI3和碘处理的MAPbBr3）表现出对伽马光子最高的灵敏度，因此后续实验主要围绕这些材料展开。值得注意的是，研究中使用的MAPbI3单晶在超过8个月的存储和测试中表现出良好的稳定性，这归因于单晶体相较于薄膜或纳米结构具有更低的表面积与体积比。
在基础光电性能表征方面，研究团队首先评估了钙钛矿单晶作为伽马探测器的核心性能参数。高效的固态伽马探测器需要同时具备高电阻率、高的电荷载流子迁移率-寿命乘积（μτ 乘积）以及高平均原子序数（以保证对高能光子的充分吸收）。通过使用软X射线（Cu Kα， 8 keV）激发晶体并分析其光响应随偏压的变化关系，研究者应用Hecht模型进行拟合，获得了MAPbI3单晶高达1×10^−2 cm^2 V^−1的μτ乘积，这一数值与最高质量的CZT单晶相当。此外，钙钛矿单晶还具有较低的本征载流子密度（10^9–10^11 cm^−3）和较低的电荷陷阱密度（10^9–10^10 cm^−3），这些都是实现低噪声、高灵敏度探测的有利条件。通过计算MAPbI3对硬辐射的吸收系数，研究者发现其对伽马光子的吸收截面与CdTe相似，证实了其对高能光子具有良好的阻挡能力。
接下来，研究团队进行了一系列辐射探测实验，逐步验证钙钛矿单晶的探测能力。实验从简单的光电导模式开始。他们首先使用高活度的11C同位素（以11CO2气体形式，初始活度70 GBq）作为伽马源进行测试。MAPbI3单晶探测器成功监测到了其放射性活度随时间的指数衰减，半衰期与11C的20.3分钟相符，证明了其动态响应能力。为了降低离子迁移导致的电子极化效应影响，实验中采用了由铅板制成的机械斩波器进行锁相信号调制。随后，研究者使用活度低得多的便携式137Cs源（2.2 MBq）进行测试，结果表明探测器仍能产生清晰的光电流信号，其幅值约为同等体积商用CZT晶体在相同条件下信号的40%，展现了在低活度下的探测潜力。
更为重要的是，研究团队成功演示了钙钛矿单晶在单光子计数模式下的工作能力。他们将MAPbI3单晶置入商用的探测器组装体（来自eV Products）中，替代原有的CZT晶体。在137Cs源的照射下，探测器输出了清晰可辨的单光子脉冲信号。这些脉冲具有快速上升沿和约100微秒的衰减时间，使得相对简单的计数方案得以应用。研究者甚至利用个人电脑中廉价的声卡（采样频率144 kHz）作为读出电子设备，配合专用软件（PRA10）成功实现了脉冲的采集与分析，这极大地降低了探测器系统的成本和复杂度。此外，他们还构建了一个简单的双像素探测器，通过扫描137Cs源，实现了空间分辨探测，单个像素的空间分辨率半高宽约为15毫米。
在应用验证层面，研究者将钙钛矿探测器应用于核医学领域的一个具体场景：正电子发射断层扫描（PET）放射性示踪剂的质量控制。他们使用MAPbI3单晶探测器，搭建了一个高效液相色谱（HPLC）流出液监测系统，用于检测示踪化合物18F-fallypride的放射化学纯度。将该探测器与商用的Gabi* γ-HPLC流动探测器进行并行比较，结果显示，MAPbI3探测器能够准确复现商用设备对主峰（18F-fallypride）和杂质峰（含量%）的检测信号，证明了其在真实应用场景中的可行性和可靠性。
最后，研究团队探索了钙钛矿探测器在能谱分辨方面的性能，这是伽马探测器更高阶的应用。由于钙钛矿材料（尤其是MAPbI3）存在离子迁移现象，在高偏压下（>20-30 V）稳定性较差，限制了其能量分辨率。然而，他们发现FAPbI3单晶表现出更优越的性能：在室温下可承受约30 V的偏压，具有更低的暗电流和电子噪声，并且μτ乘积更高（1.8×10^−2 cm^2 V^−1）。使用241Am源（59.6 keV）进行测试时，FAPbI3单晶在仅23 V的低偏压下成功获得了能量分辨谱，其全能峰的半高宽约为35%。这是首次在溶液生长的单晶上实现室温下的伽马能谱分辨，具有里程碑意义。不过，作者也指出黑色的α相FAPbI3存在热力学不稳定性，容易在数天至数周内转变为宽禁带的δ相，这是未来需要克服的挑战。
本研究的主要结论是，溶液法生长的杂化铅卤钙钛矿单晶（特别是MAPbI3和FAPbI3）是性能优异的室温直接转换型伽马探测材料。它们具备高μτ乘积、高原子序数带来的良好辐射吸收能力、低成本和易于溶液加工等综合优势。研究成功演示了该类材料在从高活度到低活度的伽马光子光电导探测、单光子计数、空间分辨以及在核医学HPLC放射性纯度监测中的应用。更重要的是，利用FAPbI3单晶首次实现了溶液生长晶体在室温下的伽马能谱分辨。
该研究的科学价值在于，它首次系统论证了溶液生长钙钛矿单晶作为高性能伽马探测器的可行性，极大地拓宽了这类新兴半导体材料的应用边界。其应用价值则体现在为开发低成本、便携式甚至个人化的伽马辐射探测设备提供了全新的材料解决方案。例如，文中指出，这类低成本探测器非常适合用于个人设备（如可连接智能手机的微型固态盖革计数器），其内部声卡即可作为读出电子设备。
本研究的亮点和创新性突出体现在以下几个方面：第一，材料创新：首次将低成本溶液法生长的钙钛矿单晶应用于高能伽马光子探测这一高端领域。第二，性能突破：获得了与顶尖商用材料（如CZT）相媲美的关键性能参数（μτ乘积），并在室温下实现了能量分辨，这是一个重要突破。第三，技术演示全面：从基础光电表征到光电导模式、单光子计数模式，再到实际应用（HPLC监测）和能谱分辨，完成了一个完整且递进的技术能力验证链条。第四，成本与集成优势：强调了材料的极低成本，并创新性地使用普通电脑声卡完成信号采集，大幅降低了整个探测系统的复杂性和造价，展现了其用于大众化消费电子设备的潜力。第五，揭示了关键挑战与未来方向：明确指出了离子迁移对高偏压稳定性的限制，以及FAPbI3相稳定性问题，为后续材料优化（如通过组分工程形成Cs/FA混合阳离子体系）指明了方向。
此外，研究中对探测器稳定性的观察（单晶在数月内稳定）、对不同钙钛矿组分灵敏度的筛选（碘化物体系最佳）、以及利用双像素演示空间分辨能力等内容，也为该领域的后续研究提供了有价值的参考和起点。这项研究为半导体辐射探测领域开辟了一条富有前景的新路径，将前沿材料科学与实用的辐射探测技术紧密结合，具有重要的学术意义和广泛的应用潜力。