MAPbI3多晶薄片组分及微观形貌调控及其X射线探测性能研究

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近几年,有机-无机杂化钙钛矿材料因其具有较大的原子序数、可调的带隙、较大的载流子迁移率-寿命乘积、简单和低成本的制备方法等优势而被作为辐射探测器的新兴材料,受到来自世界各地的研究者的广泛关注,其中作为典型的有机-无机杂化钙钛矿材料的MAPb I3备受关注。目前基于MAPb I3单晶的X射线探测器的灵敏度已达到5.2×10~6μC Gy-1air cm-2,检测限已低于1 n Gyair s-1,这已经远远低于医疗诊断所需的剂量率。然而,大尺寸单晶制备的困难限制了其在大面积成像器件的应用。尽管基于钙钛矿多晶材料的探测器在性能上与钙钛矿单晶探测器尚有差距,但是经过大量研究团队的努力,基于钙钛矿多晶材料的X射线探测器的性能已经取得了极大提升,而且相较于单晶,可大面积制备是钙钛矿多晶材料的独特优势。热压法作为一种制备钙钛矿多晶厚膜的有效方法被广泛使用,基于热压法制备的MAPb I3钙钛矿多晶X射线探测器的灵敏度已经达到1.22×10~5μC Gy-1air cm-2。但是,热压过程中温度和压力对MAPb I3晶片的微观形貌的影响以及其对光电性能的影响却鲜有研究。另外,由于钙钛矿材料内部存在离子迁移,造成钙钛矿光电器件在工作状态下的电流基线漂移,导致器件的工作稳定性大大下降。针对以上问题,本论文研究了温度和压力对热压制备的MAPb I3晶片的微观形貌及探测性能的影响,并进一步采用组分调控的策略,钝化了晶片内部缺陷,抑制了离子迁移,制备了高灵敏度和低检测限的X射线探测器,取得的主要结果如下:1.研究了热和压力对晶片的形成及其光电性质的影响,发现:(1)热和压力的共同作用是形成致密晶片的必要原因。热作用可以促进晶粒的生长并软化晶粒便于晶粒之间更好的融合;压力可以使得软化的晶粒形成致密的钙钛矿晶片,在热和压力的共同作用下可以得到大晶粒且致密的MAPb I3晶片。(2)高温对钙钛矿晶片组分产生影响,并发展了组分调控策略获得了高灵敏度射线探测器。研究结果表明,随着热压温度的升高,MAPb I3晶片内部的缺陷逐渐增加,器件的响应电流逐渐降低且暗电流漂移程度增加;当热压温度超过150℃时,会导致晶片中的MAI的损失,产生更多的缺陷,从而降低器件的光电性能。进一步研究了在MAPb I3粉末中补加MAI粉末(与MAPb I3摩尔比为1.25%、2.5%和5%)对钝化由MAI挥发造成的缺陷的影响,发现补加MAI可以提高晶片的光电性能,在补加2.5%MAI粉末并在250℃压制的晶片具有最佳的载流子传输性能,μτ乘积为5.46×10-3 cm~2V-1,且器件在6.58 V mm-1电场下的X射线灵敏度为4.2×10~5μC Gy-1air cm-2,在1.32 V mm-1电场下的检测限约为350 n Gyair s-1。2.研究了二维(2D)钙钛矿粉末对MAPb I3晶片离子迁移和X射线灵敏度的影响,发现:(1)在MAPb I3粉末中添加不同比例的BA2Pb I4粉末(与MAPb I3质量比为5%、10%和20%)时,2D钙钛矿粉末对3D粉末的分布可形成空间上的阻隔,有利于调控3D晶片的光电性质。(2)进一步研究发现随着添加2D钙钛矿粉末量的增加,器件的电阻率逐渐增大,暗电流逐渐下降;同时,暗电流基线漂移逐渐减弱,离子迁移活化能逐渐增加,表明该方法可以有效抑制钙钛矿晶片的离子迁移。(3)器件的灵敏度随着2D粉末含量的增加而降低。添加10%的2D粉末制备的2D/3D器件在50 V mm-1的高电场下仍然具有稳定的基线,器件的μτ乘积为1.18×10-3 cm~2 V-1,灵敏度为7.8×10~3μC Gy-1air cm-2,在12.5 V mm-1的电场下的检测限为100 nGyairs-1。
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