高能射线探测用CsPbBr3-xClx单晶的生长及其性能研究

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全无机卤化物钙钛矿CsPbBr3具有优异的光电性能,在各种光电相关的领域中都表现巨大的应用潜力,尤其是核辐射探测领域。但CsPbBr3的性能仍有提升的空间,引入金属离子和卤素离子等元素的替换是一种优化钙钛矿光电性能的有效途径。目前关于CsPbBr3的元素替换研究大多集中在薄膜和量子点领域,而对于单晶生长及其光电探测器件的研究还比较少。本文围绕多晶粉体的合成、单晶的生长工艺以及光电探测器件的制备和性能表征,对混合卤化物钙钛矿CsPbBr3–xClx展开研究,主要内容分为三个部分:首先,研究了低温溶液法和高温熔体法两种晶体的生长工艺,生长出具有较好单晶性的CsPbBr3晶体,并对所生长的晶体进行光学性能和电学性能表征。结果表明,溶液法生长的单晶紫外透过率最高可达60%,电阻率最高为8.03×10~8Ω·cm,而熔体法的单晶紫外透过率和电阻率都比溶液法的好,最高分别可达70%和8.74×10~8Ω·cm。通过对比两种晶体生长工艺在各个方面的优劣势,结果表明熔体法更适合用于生长全无机钙钛矿CsPbBr3晶体,因此最终选择熔体法用于生长混卤钙钛矿CsPbBr3–xClx晶体。其次,通过固相研磨法制备了CsPbBr3-xClx(x=0.1,0.2和0.3)的粉体,并通过电控动态梯度凝固法生长出相应的晶体。Cl的引入使得粉体和晶体的颜色由橙色逐渐转变为淡黄色。EDS和XPS的测试结果表明,Cl成功替换[Pb Br6]4-八面体中的Br,且在晶体中均匀分布。通过对CsPbBr3-xClx基本物理性能的表征得到:随着Cl引入的浓度逐渐增大,熔点由567℃单调降低至至561.3℃,禁带宽度由2.252 e V单调增长至2.323 e V,晶格常数单调减小,容忍因子逐渐接近1,CsPbBr3-xClx表现出更加稳定的晶格结构。最后,研究了CsPbBr3-xClx晶体的光学性能和电学性能,制备了Ag/CsPbBr3-xClx/Ag结构的平板光电探测器件并测试器件对X射线的响应性能。结果表明:CsPbBr3-xClx晶体具有良好的光学性能,红外透过率超过60%,紫外透过率超过50%;通过伏安特性曲线的结果得知,Ag与CsPbBr3-xClx晶体形成了良好的欧姆接触,计算出晶体的电阻率在10~7~10~9Ω·cm;由阻抗特性曲线计算出来的相对介电常数在42~50;由空间电荷限制电流(SCLC)计算出晶体的陷阱态密度在10~9cm-3~1010cm-3。CsPbBr3-xClx光电探测器对X射线有信号响应,在2V下的开关比为2.03~2.96,信噪比可达22.99~63.58,灵敏度为7.00~11.76μCGy-1aircm-2,探测能力较弱的原因是晶体陷阱态密度太大影响载流子迁移到电极。
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