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摘要

摘要

基于无甲胺钙钛矿单晶X射线探测器的研究

X射线探测器作为在医疗健康、环境安全以及工业探伤等领域具有重要应用

价值的核心元器件，由于工作过程中的高能X射线光子易对人体造成损伤，因

此应用领域对其提出了更高的性能需求。与已商用的a-Se、CdZnTe等X射线探

测材料相比，钙钛矿单晶因其具有较大的X射线吸收衰减能力、优异的载流子

迁移率-寿命乘积以及独特的缺陷容忍机制而被认为是具有高灵敏度，高信噪比

和低检测下限的X射线探测器的最有希望的候选材料之一。目前，随着研究的

不断深入，已报道的基于钙钛矿单晶的X射线探测器件的性能已经在一定程度

上超过传统无机半导体器件。但是，钙钛矿晶体的不稳定问题仍然限制其在X射

线探测领域的实用化进程。本研究以组分设计、性能表征、稳定性测试的正向逻

辑思路，对基于钙钛矿晶体的X射线探测器开展系统的研究工作。

钙钛矿晶体材料设计是实现优异探测性能和高稳定性器件的基石。通过向无

甲胺的稳定钙钛矿组分的A位中引入大尺寸的胍胺阳离子，有效降低了晶体的

碘缺陷。随后，进一步在B位微量掺杂碱土金属Sr2+离子，以此来调控因大阳离

子引入所带来的铅空位引起的微应变问题。同时，利用理论计算和测试表征证明

了这种A位、B位协同成分调控的方法有利于同时提升晶体稳定性和光电性能，

为后续研究中利用钙钛矿单晶材料作为X射线探测器的核心吸收材料提供了稳

定性与性能的理论基础和技术支持。

钙钛矿单晶X射线探测器的性能是决定其应用价值的重要指标。借助于材

料表征手段，本研究设计了适合于宽温度工作范围的稳定钙钛矿单晶X射线探

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测器结构。得益于材料组分和器件结构的优化设计，在1Vcm的电场条件下器

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件获得了高达(2.6 ± 0.1) × 10 μC Gyair cm的X射线探测灵敏度，以及低至7.09

nGyairs-1的最低检测下限。此外，本研究所制备的探测器具有长达300min的X

射线信号捕捉能力以及累计剂量近1.2mGy的持续X射线辐射信号接收能力。

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基于该性能优异的探测器搭建了简易X射线监测原理样机，成功实现了对剂量

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约为150nGys-1的X射线信号的捕捉。

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钙钛矿单晶探测器的稳定性是影响其产业化进程的重要挑战。在光学图像表

征、X射线衍射分析以及光致发光扫描测试中，本研究所设计的钙钛矿单晶在长

期存储过程中展现出良好的稳定性。制备的器件在长达180天的保存后，其光/

暗电流衰减不超过10%，同时，器件经过存储后对单色光的响应也较为稳定。

除此之外，器件上升/下降时间的变化小于1ms，表明其内部具有稳定的载流子

传输/收集能力。进一步，本研究对器件的温度稳定性进行了测试分析，发现探测

器在低于129℃时能够实现对信号的有效探测，并成功在125℃条件下实现了

针对连续光信号的稳定响应。

综上，本研究工作针对新型钙钛矿单晶X射线探测器在稳定性和探测性能

之间的协同提升问题，系统地从材料组分、器件结构和性能以及稳定性三个方面

开展研究工作。从原理上提出解决问题的方案，并利用理论分析、测试表征等手

段验证了方案的可行性。成功实现同时具有优异探测性能和较好稳定性的无甲胺

钙钛矿单晶X射线探测器，为未来钙钛矿材料在X射线探测领域的市场应用提

供了新的设计思路和策略。

关键词：

X射线探测器，钙钛矿晶体，灵敏度，检测下限，稳定性