本文由Yan Ren、Yuki Haruta、Sergey Dayneko、Jiawei Tao、Dongyang Zhang、Vishal Yeddu、Magdalena Bazalova-Carter和Makhsud I. Saidaminov等作者合作完成，发表于2024年7月22日的《ACS Materials Letters》期刊上。该研究主要关注溶液生长的CsPbBr3单晶的表面化学及其选择性清洁策略，旨在解决表面污染问题，并提升其在X射线探测器中的应用性能。

研究背景与目的

卤化物钙钛矿晶体在高能辐射探测和太阳能收集等领域具有广阔的应用前景。其中，全无机CsPbBr3单晶因其高辐射衰减效率和长期稳定性而备受关注。然而，溶液法生长的CsPbBr3晶体表面常常残留未反应的前驱体和次生相，这些污染物会显著降低晶体的光电性能，尤其是在X射线探测器中。因此，开发一种有效的表面清洁策略，去除这些污染物而不损伤晶体本身，成为了该领域的一个重要挑战。

研究流程与方法

研究团队提出了一种多步骤的选择性清洁策略，主要包括以下几个步骤：

1. 晶体生长：通过缓慢蒸发饱和的DMSO（二甲基亚砜）溶液，在80°C的恒温条件下生长CsPbBr3晶体。前驱体CsBr和PbBr2的摩尔比为1:2，并引入四甲基溴化铵以促进立方晶体的形成。

2. 初步清洁：将生长后的晶体从80°C的生长环境中转移到高粘度的DMSO-甘油（DMSO-Gly）混合溶剂中，冷却至室温。这一步骤旨在稀释并去除大部分表面残留溶液，同时防止晶体表面进一步结晶。

3. 选择性清洁：使用饱和的CsPbBr3溶液（DMSO-H2O混合溶剂）进行三次清洗。该溶液能够溶解未反应的前驱体和次生相（如Cs4PbBr6和CsPb2Br5），而不会溶解CsPbBr3晶体本身。

4. 表面表征：通过X射线衍射（XRD）、能量色散光谱（EDS）、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等手段对清洁后的晶体表面进行表征，确认清洁效果。

5. 光电性能测试：利用清洁后的CsPbBr3晶体构建Ag/CsPbBr3/Au结构的X射线探测器，测试其在不同X射线剂量下的响应性能。

主要结果

1. 表面清洁效果：研究团队发现，使用DMSO-Gly混合溶剂进行初步清洁后，再使用饱和的CsPbBr3溶液进行选择性清洁，能够有效去除晶体表面的污染物。SEM和AFM结果显示，清洁后的晶体表面粗糙度显著降低（RMS粗糙度为2.05 nm），远低于使用热DMSO清洁的晶体（RMS粗糙度为36.86 nm）。

2. 光电性能提升：清洁后的CsPbBr3晶体在X射线探测器中表现出优异的线性响应（R² = 0.9995），灵敏度达到2,275 μC Gyair⁻¹ cm⁻²，检测限低至11 nGyair s⁻¹。与使用热DMSO清洁的晶体相比，清洁后的晶体在电荷载流子辐射复合寿命上提高了5倍，X射线灵敏度提高了10倍。

3. 机理分析：通过光致发光（PL）光谱和时间分辨PL实验，研究团队发现清洁后的晶体表面非辐射复合中心显著减少，导致载流子复合寿命延长。这表明表面清洁策略有效降低了晶体表面的缺陷浓度，从而提升了光电性能。

结论与意义

该研究提出了一种高效的选择性清洁策略，能够有效去除溶液生长的CsPbBr3晶体表面的污染物，显著提升其在X射线探测器中的性能。这一策略不仅解决了CsPbBr3晶体表面污染的问题，还为其他溶液生长的钙钛矿晶体提供了新的清洁思路。该研究的科学价值在于深入理解了CsPbBr3晶体的表面化学，并通过实验验证了表面清洁对光电性能的显著影响。其应用价值则体现在为高性能X射线探测器的开发提供了关键技术支持。

研究亮点

1. 创新性清洁策略：研究团队首次提出了一种基于饱和CsPbBr3溶液的选择性清洁方法，能够在不损伤晶体本身的情况下有效去除表面污染物。
2. 显著性能提升：清洁后的CsPbBr3晶体在X射线探测器中表现出优异的线性响应和高灵敏度，检测限达到11 nGyair s⁻¹，为目前报道的最高水平之一。
3. 广泛适用性：该清洁策略不仅适用于CsPbBr3晶体，还可推广至其他溶液生长的钙钛矿晶体，具有广泛的应用前景。

其他有价值的内容

研究团队还通过实验验证了饱和CsPbBr3溶液对未反应前驱体和次生相的溶解能力，进一步支持了该清洁策略的可行性。此外，研究团队详细讨论了晶体生长过程中相变和裂纹形成的问题，为未来优化晶体生长条件提供了参考。

该研究为解决溶液生长钙钛矿晶体的表面污染问题提供了新的思路，并为高性能光电设备的开发奠定了重要基础。