本文介绍了一项关于高灵敏度X射线探测器的研究，题为《Out-of-Phase Articulation Strategy of CsPbBr3/CsPb2Br5 Perovskite for High Sensitivity X-ray Detection》，由Changmao Wan、Zihan Wang、Hui Zhang等作者共同完成，发表在《Advanced Functional Materials》期刊上，发表日期为2024年4月5日。该研究由中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所、中国科学技术大学、中国工程物理研究院化工材料研究所等机构的研究人员合作完成。
金属卤化物钙钛矿材料在X射线探测领域表现出优异的性能，相较于传统的探测器材料（如α-Se、CsI和CdZnTe），钙钛矿材料具有高灵敏度、低探测限和高空间分辨率等优势。这些特性使其在医学诊断、安全检查等领域具有广泛的应用前景。CsPbBr3作为一种无机钙钛矿材料，表现出优异的载流子迁移率和较高的载流子寿命-迁移率乘积（μτ），这使得其在X射线探测中具有较高的灵敏度。然而，现有的CsPbBr3探测器通常依赖于高电压工作，且其多晶性质导致晶界缺陷和载流子复合问题，限制了其性能的进一步提升。
本研究旨在通过引入二维相CsPb2Br5，改善CsPbBr3的载流子传输环境，从而提升其X射线探测性能。具体目标包括：提高载流子迁移率、降低探测限、增强探测器的稳定性和灵敏度。
材料制备：研究采用高能球磨法（high-energy ball milling）制备了CsPbBr3/CsPb2Br5（CPB3/CP2B5）多晶粉末。通过球磨6小时，成功合成了三维CsPbBr3和二维CsPb2Br5的混合物。随后，通过冷等静压法（cold isostatic pressing）将粉末压制成晶圆片。
材料表征：通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和X射线光电子能谱（XPS）等技术对材料进行了表征。XRD结果显示，CPB3和CP2B5的衍射峰分别位于2θ为21.4°、15.2°、30.6°和29.3°、11.6°、33.3°处，证明了两种相的存在。SEM图像显示，CPB3/CP2B5粉末由0.5-1 μm的不规则块体和方形片状结构组成。XPS分析表明，CP2B5的引入增强了Cs 3d轨道的电子损失趋势，表明两种相之间存在电子传输通道。
载流子传输机制研究：通过扫描开尔文探针显微镜（Scanning Kelvin Probe Microscopy）测量了CPB3和CP2B5的界面电势差。结果表明，CP2B5在CPB3晶界中形成了电子加速通道，显著提高了载流子迁移率。此外，通过暗电流测试验证了CP2B5作为电子加速板的作用。
X射线探测性能测试：研究组装了垂直结构的X射线探测器（Au/钙钛矿/Au），并测试了其在不同偏压下的X射线响应。结果显示，CPB3/CP2B5探测器的载流子迁移率达到了206.02 cm² V⁻¹ s⁻¹，μτ值从6.7 × 10⁻⁴ cm² V⁻¹提升至3.8 × 10⁻³ cm² V⁻¹。在25 V mm⁻¹的偏压下，探测器的灵敏度达到了2.58 × 10⁵ μC Gyair⁻¹ cm⁻²，探测限低至127.9 nGyair s⁻¹。
成像性能测试：研究还测试了探测器的X射线成像性能。通过调制传递函数（MTF）测试，探测器在MTF为20%时的分辨率为1.57 lp mm⁻¹，表明其具备百微米级别的成像能力。此外，研究还展示了探测器与TFT背板集成的X射线成像效果，成像响应时间为1610 ms。
本研究通过引入二维相CsPb2Br5，成功提升了CsPbBr3钙钛矿材料的载流子迁移率和X射线探测性能。CP2B5不仅修复了CPB3的晶界缺陷，还形成了电子加速通道，显著提高了探测器的灵敏度和分辨率。该研究为开发高性能、低成本的X射线探测器提供了新的思路，具有重要的科学和商业应用价值。
研究还展示了探测器与TFT背板集成的X射线成像效果，证明了其在大面积成像应用中的潜力。此外，研究通过详细的材料表征和机制分析，为钙钛矿材料的载流子传输机制提供了新的见解。