本文由Lotte Clinckemalie、Bapi Pradhan、Roel Vanden Brande、Heng Zhang、Jonathan Vanden Wijngaerden、Rafikul Ali Saha、Giacomo Romolini、Li Sun、Dirk Vandenbroucke、Mischa Bonn、Hai I. Wang和Elke Debroye等作者共同完成，发表于2024年1月的《Journal of Materials Chemistry C》期刊上。该研究的主要机构包括比利时鲁汶大学化学系、德国马克斯·普朗克聚合物研究所以及比利时Agfa-Gevaert公司。研究团队通过引入二维CsPb2Br5相到CsPbBr3钙钛矿晶体中，提出了一种在常温条件下制备柔性、致密厚膜的策略，用于增强X射线探测的稳定性和性能。
金属卤化物钙钛矿材料因其优异的光电特性（如强光吸收、高载流子迁移率和长电子-空穴扩散长度）而备受关注。这些材料在太阳能电池、发光二极管（LEDs）以及光探测和X射线探测等领域具有广泛的应用前景。X射线探测技术在医学成像、工业检测和安全筛查等领域至关重要。然而，现有的X射线探测器材料（如碲化镉锌或非晶硒）存在成本高、制备工艺复杂以及操作不稳定等问题，限制了其商业化应用。全无机CsPbBr3钙钛矿因其高X射线衰减系数、缺陷容忍性和良好的电荷收集效率，被认为是X射线探测领域的有力候选材料。然而，CsPbBr3材料在湿度和高温下的稳定性较差，且高质量、无针孔的厚膜制备仍是一个挑战。
本研究旨在通过引入二维CsPb2Br5相到CsPbBr3钙钛矿晶体中，改善其光电性能和电荷传输特性，从而增强其在X射线探测中的稳定性和性能。研究团队提出了一种在常温条件下使用非导电聚合物制备柔性、致密厚膜的策略，并探讨了双相材料的结构和光电特性。
研究分为以下几个步骤：
CsPbBr3微晶的合成
研究团队首先通过化学计量比的CsBr和PbBr2在48%的氢溴酸（HBr）中溶解，并在常温下通过滴加和搅拌的方式合成了CsPbBr3微晶。通过改变合成条件，引入了少量的水，生成了含有二维CsPb2Br5相的双相材料。X射线衍射（XRD）分析证实了双相材料中CsPbBr3和CsPb2Br5的存在，并通过Rietveld精修确定了双相材料中约23%的CsPb2Br5相和77%的CsPbBr3相。
厚膜的制备
为了制备柔性、致密的厚膜，研究团队使用聚乙烯醇缩丁醛（PVB）作为聚合物粘合剂，将CsPbBr3微晶与聚合物溶液混合，并在导电基底上涂覆形成厚膜。通过溶剂蒸发和干燥，最终得到了具有光滑表面的柔性厚膜。
X射线探测性能测试
研究团队制备了基于纯相和双相CsPbBr3的X射线探测器件，并在不同偏压下测试了其光电流和暗电流。通过计算光电流与暗电流的比值（P/D比），评估了器件在不同电压下的性能。双相材料在高压下表现出更高的稳定性和更低的暗电流，表明其在高电压X射线探测中具有优势。
光电性能表征
研究团队通过紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis）和稳态光致发光（PL）光谱分析了材料的带隙和电子态变化。时间分辨PL测量表明，双相材料的载流子寿命显著延长，这归因于二维CsPb2Br5相引入的浅缺陷态。此外，太赫兹时域光谱（THz-TDS）测量进一步证实了双相材料中载流子迁移率的降低，这有助于在高电压下抑制电荷积累。
双相材料的稳定性增强
通过引入二维CsPb2Br5相，双相材料中的Pb空位增加了离子迁移能垒，从而显著降低了暗电流并提高了材料的稳定性。双相材料在高压下的X射线探测性能优于纯相材料，表现出更高的光电流与暗电流比值。
载流子寿命延长
时间分辨PL测量显示，双相材料的载流子寿命比纯相材料延长了两倍以上。这归因于二维CsPb2Br5相引入的浅缺陷态，减缓了电子-空穴复合动力学。
电荷传输性能改善
太赫兹光谱测量表明，双相材料的载流子迁移率有所降低，但这一特性在高电压下有助于抑制电荷积累，从而提高器件的稳定性。
本研究通过引入二维CsPb2Br5相到CsPbBr3钙钛矿晶体中，成功制备了具有高稳定性和优异X射线探测性能的双相材料。双相材料在高压下的稳定性和低暗电流特性使其在高分辨率X射线成像应用中具有巨大潜力。此外，研究还表明，通过引入浅缺陷态可以优化钙钛矿材料的能量转换性能，这为其他高电压要求的能量转换应用提供了新的思路。
新颖的双相材料设计
通过引入二维CsPb2Br5相，研究团队成功改善了CsPbBr3钙钛矿的稳定性和光电性能，为X射线探测器的开发提供了新的材料设计思路。
常温制备工艺
研究提出了一种在常温条件下使用非导电聚合物制备柔性、致密厚膜的简便方法，克服了传统高温合成工艺的局限性。
高压下的优异性能
双相材料在高压X射线探测中表现出更高的稳定性和更低的暗电流，为高分辨率X射线成像设备的开发奠定了基础。
研究团队还通过同步辐射X射线散射（GIWAXS）测量证实了双相材料在长时间X射线照射下的结构稳定性，进一步验证了其在长期操作中的可靠性。这些发现为钙钛矿材料在高电压能量转换应用中的优化提供了重要参考。