有机无机杂化钙钛矿材料具有较低的缺陷态密度、较长的载流子寿命、较高的载流子迁移率和低的制备成本等优点，近年来在高能X射线的探测领域得到了越来越多的关注。与常见的三维钙钛矿和单胺基Ruddlesden-Popper (A)₂A′_n-1M_nY_3n+1二维钙钛矿相比，直链双胺阳离子的AA′_n−1M_nX_3n+1是一种新型二维钙钛矿，兼有出色的载流子传输和稳定性。然而，其光电特性尚未被完全探究清楚，且缺乏大尺寸高质量的单晶材料用于光电器件应用。

最近，陕西师范大学赵奎教授（点击查看介绍）与南京工业大学陈永华教授（点击查看介绍）合作，报道了一种优化的降温结晶方法（modified temperature crystallization method），成功生长出厘米尺寸的二维钙钛矿(BDA)PbI₄单晶。光电性质研究表明(BDA)PbI₄单晶的缺陷态密度低达3.1×10⁹ cm^-3，基于(BDA)PbI₄单晶材料的X射线探测器获得了242 µC Gy_air^-1 cm^-2的灵敏度、430 nGy_air s^-1的低探测极限、7.3 ms的短响应时间、6.06 ×10^-9 nA cm^-1 s^-1 V^-1的低暗电流基线漂移、以及极好的稳定性。上述结果说明基于直链双胺阳离子的AA′_n−1M_nX_3n+1型二维钙钛矿单晶在X射线探测应用的巨大潜力。该成果已于5月20日发表在Wiley旗下期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

图1.（a）30 ℃/h；（b）1 ℃/h的恒定速率降温生长的(BDA)PbI₄单晶照片；（c）厘米尺寸的(BDA)PbI₄单晶照片；（d）(BDA)PbI₄单晶XRD图谱；（e-f） (BDA)PbI₄在（e）（001）面和（f）（010）面的结构示意图。

图2.（a-b）(BDA)PbI₄晶体（a）（001）面；（b）（010）面SEM图像；（c）(BDA)PbI₄晶体AFM图像；（d）(BDA)PbI₄晶体EDS图谱；（e）(BDA)PbI₄晶体XPS光谱；（f）(BDA)PbI₄的 TGA和DSC曲线。

图3.（a）(BDA)PbI₄的ABS和PL图谱；（b）(BDA)PbI₄的TRPL图谱；（c）(BDA)PbI₄的电容-频率和介电常数曲线；（d）(BDA)PbI₄的缺陷态密度测试。

图4 （a）(BDA)PbI₄的平面型X射线探测器示意图；（b）平面型X射线探测器工作中电场取向示意图；（c）(BDA)PbI₄的光导测试；（d）(BDA)PbI₄的X射线探测器在不同剂量下的电流响应测试；（e）(BDA)PbI₄的X射线探测器的时间响应测试；（f）(BDA)PbI₄的X射线探测器的光电流和暗电流稳定性测试。

上述研究得到了陕西师范大学刘生忠教授与西北工业大学黄维院士大力支持。

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Centimeter-sized Single Crystal of Two-Dimensional Halide Perovskites Incorporating Straight Chain Symmetric Diammonium Ion for Efficient X-ray Detection

Yue Shen, Yucheng Liu, Haochen Ye, Yiting Zheng, Qi Wei, Yingdong Xia, Yonghua Chen,* Kui Zhao,* Wei Huang, Shengzhong (Frank) Liu*

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202004160

导师介绍

陈永华

https://www.x-mol.com/university/faculty/27741

赵奎

https://www.x-mol.com/university/faculty/45984  

http://www.solarzhao.com

刘生忠

https://www.x-mol.com/university/faculty/31107