本文介绍了一项关于利用熔融工艺制备的CsPbBr₃钙钛矿薄膜用于高灵敏度X射线探测器的研究。该研究由Gebhard J. Matt等人完成，研究团队来自德国埃尔朗根-纽伦堡大学（Friedrich-Alexander-University Erlangen-Nuremberg）的材料电子与能源技术研究所（Institute of Materials for Electronics and Energy Technology, I-MEET）以及西门子医疗（Siemens Healthineers GmbH）的CT部门。该研究于2020年发表在《Advanced Materials Interfaces》期刊上。
X射线探测技术在工业、基础科学和医学成像中具有广泛的应用。理想的X射线传感器需要高效吸收X射线辐射并将其转换为自由电荷载流子或触发高效的发光。目前，X射线探测器主要分为两类：间接转换器（X射线到光再到电流）和直接转换器（X射线直接到电流）。金属卤化物钙钛矿材料因其高原子序数（Z）元素（如Cs、Pb和Br）的存在，具有优异的X射线吸收能力。其中，全无机钙钛矿化合物CsPbBr₃因其高电阻率、宽禁带宽度（>2.2 eV）、缺陷容忍性、高载流子迁移率以及优异的环境稳定性，成为X射线探测器的理想材料。
本研究旨在通过一种简单、可扩展且成本敏感的熔融工艺，在任意尺寸的基底上制备CsPbBr₃薄膜，并评估其在X射线探测器中的性能。研究的目标是展示CsPbBr₃薄膜在X射线到电流转换中的高效性，并与现有的Cd(Zn)Te（碲化镉锌）探测器技术进行对比。
研究主要包括以下几个步骤：
CsPbBr₃微晶的合成与熔融处理
研究团队首先通过化学合成方法制备了CsPbBr₃微晶粉末，随后将其均匀分布在涂有导电氟掺杂氧化锡（FTO）的玻璃基底上。通过加热至575°C并控制冷却速率（0.91°C/min至0.125°C/min），实现了CsPbBr₃的熔融和结晶。冷却过程中，样品被陶瓷盖覆盖，以确保均匀的结晶过程。
结构表征
通过X射线衍射（XRD）和极图（pole figure）测量，研究团队确认了CsPbBr₃薄膜的相纯度和晶体取向。XRD结果显示，薄膜由大面积的单晶状域组成，且晶体取向高度一致。极图测量进一步揭示了薄膜中晶域的平面内取向。
光学与电荷传输性能测试
研究团队通过吸收光谱和稳态光致发光（PL）光谱分析了CsPbBr₃薄膜的光学性能，发现其带隙为2.23 eV，且光致发光量子效率较低，这与CsPbBr₃的间接带隙特性有关。电学性能测试表明，薄膜的电阻率为8.5 GΩ·cm，空穴迁移率为18 cm²/V·s。通过时间飞行（TOF）实验，研究团队进一步验证了薄膜中载流子的高效传输特性。
X射线到电流转换性能测试
研究团队使用X射线源对CsPbBr₃薄膜进行了光电响应测试。结果显示，薄膜在1.2×10⁴ V/cm电场下的X射线到电流转换率为1450 mC/Gyₐᵢᵣ·cm²，检测限达到亚mGyₐᵢᵣ/s水平。这些性能指标与现有的Cd(Zn)Te探测器技术相当。
结构表征结果
XRD和极图测量表明，CsPbBr₃薄膜具有高度的相纯度和晶体取向一致性。薄膜由大面积单晶状域组成，晶体取向在平面内保持一致。
光学与电学性能
吸收光谱显示CsPbBr₃薄膜的带隙为2.23 eV，稳态光致发光光谱显示其发射峰位于2.32 eV。电学测试表明，薄膜的电阻率为8.5 GΩ·cm，空穴迁移率为18 cm²/V·s。
X射线探测性能
CsPbBr₃薄膜在X射线到电流转换中表现出优异的性能，转换率达到1450 mC/Gyₐᵢᵣ·cm²，检测限为500 nGyₐᵢᵣ/s，满足医学成像的要求。
本研究展示了一种简单、可扩展的熔融工艺，能够在任意尺寸的基底上制备高性能的CsPbBr₃薄膜。该薄膜在X射线探测中表现出与现有Cd(Zn)Te探测器技术相当的性能，且具有成本低、制备简单的优势。研究结果表明，CsPbBr₃薄膜在高能探测器领域具有广阔的应用前景。
本研究为下一代高能探测器的开发提供了一种低成本、高性能的材料解决方案。CsPbBr₃薄膜的优异性能及其简单的制备工艺，使其在医学成像、工业检测等领域具有广泛的应用潜力。此外，该研究还为金属卤化物钙钛矿材料在辐射探测领域的应用提供了新的思路。