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研究背景

金属卤化物钙钛矿因其光电特性，包括高X射线衰减能力、优异的载流子传输性能和可调的带隙，成为下一代X射线探测器领域中一类极具前景的材料。特别是单晶钙钛矿，由于其缺陷更少且没有晶界，相比多晶材料展现出更优越的性能，带来了更高的灵敏度和更低的电子噪声。这些特性对于医学成像、工业无损检测和科学研究等应用至关重要。然而钙钛矿X射线探测器的广泛应用在制造和稳定性方面仍面临着重大挑战。

一个主要障碍是生长大尺寸、高质量单晶的成本高昂且难度巨大。这类晶体的合成传统上需要高纯度的原材料，这不仅价格不菲，也显著增加了生产成本。此外，生长大尺寸单晶的工艺往往复杂而耗时。另一个主要挑战是许多钙钛矿材料（尤其是有机-无机杂化类型）的本征不稳定性，它们在暴露于热、湿气或长期辐射下容易发生降解，从而限制了器件的工作寿命。从战略需求上看，当前迫切需要开发能够生产大尺寸、稳定且高性能的钙钛矿单晶的低成本合成方法。这包括探索使用纯度较低、因而价格更便宜的原材料，并深入理解特定杂质在晶体生长和器件性能中如何被容忍，甚至可能产生有益的影响。解决这些挑战是推动钙钛矿X射线探测器商业化，并充分发挥其在高性能、低成本成像应用中潜力的关键。

针对上述问题，由西南大学组成的团队利用泽攸科技JS系列台阶仪进行了系统研究，其核心创新在于颠覆性地发现，低成本原料中的碳酸铅（PbCO₃）杂质反而能显著提升钙钛矿单晶的质量和X射线探测性能。

标题：Impurity PbCO3 from Low-Purity Raw Material Improves MAPbBr3 Single-Crystalline X-ray Detectors

期刊：Journal of Physical Chemistry Letters

网址：https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5c02181

“反常识”的发现：杂质竟是晶体质量的“助推器”

传统观念认为，制备高性能钙钛矿单晶必须使用昂贵的高纯度（如99.999%）原材料，以避免杂质引入缺陷。然而，西南大学团队的研究颠覆了这一认知。他们意外地发现，使用成本更低的低纯度（99%）溴化铅（PbBr₂）原料生长的MAPbBr₃单晶，其透明度和表面光滑度反而优于高纯度原料制备的晶体。研究团队推测，这种性能提升的关键在于低纯度原料中存在的一种主要杂质——碳酸铅（PbCO₃）。为了精确定量这种表面质量的差异，研究团队使用了泽攸科技的JS10A台阶仪对晶体表面粗糙度进行了测量，结果证实，含有PbCO₃杂质的目标组晶体，其表面平整度比控制组晶体高出一个数量级，这直观地证明了该杂质对抑制表面缺陷、改善晶体生长质量起到了积极作用。

图1. (a) 控制组和目标组MAPbBr₃钙钛矿单晶的照片。(b)控制组和(c)目标组MAPbBr₃钙钛矿单晶的激光入射照片。(d) 控制组和目标组晶体的透射式及偏光式光学显微镜图像。(e) 控制组和目标组的晶体粗糙度

揭示内在优势：从力学到电学性质的全面提升

为了探究PbCO₃杂质对晶体内部性质的深层影响，团队进行了一系列精密的表征。在力学性能方面，通过纳米压痕测试发现，目标组晶体的杨氏模量在不同位置高度一致，而控制组则表现出较大波动，这表明PbCO₃的加入使得晶体内部结构更加均匀，减少了结构缺陷。在电学性质上，开尔文探针力显微镜（KPFM）测量显示，目标组晶体具有更均匀的表面电势和更高的功函数。X射线光电子能谱（XPS）分析进一步揭示，目标组晶体的铅（Pb 4f）和溴（Br 3d）的芯能级向更高的结合能移动。这些结果共同指向一个结论：PbCO₃的存在有效钝化了晶体表面和内部的缺陷，使得晶体“更具本征性”，为器件性能的提升奠定了坚实的材料基础。

图2. (a) 控制组和 (b) 目标组不同位置的应力-应变曲线。(c) 控制组和目标组MAPbBr₃钙钛矿单晶在不同位置的杨氏模量

图3.（a）对照组和（b）目标组MAPbBr₃钙钛矿单晶的开尔文探针力显微镜图像；（c）对照组与目标组钙钛矿单晶的能量带结构；（d）对照组与目标组晶体的Pb 4f和（e）Br 3d的X射线光电子能谱图谱

性能的飞跃：实现更高灵敏度与更低探测极限

优异的材料性质最终转化为了探测器性能的巨大飞跃。基于含有PbCO₃杂质的单晶所制备的X射线探测器，其关键性能指标得到了显著增强。与控制组相比，目标组器件的载流子迁移率寿命积（μτ值）从9.1 × 10⁻³ cm² V⁻¹提升至1.3 × 10⁻² cm² V⁻¹。在实际X射线探测中，其灵敏度从2860.86 μC Gy_air⁻¹ cm⁻²提升至5625.77 μC Gy_air⁻¹ cm⁻²，几乎翻了一倍。更为关键的是，其低探测极限从6.36 µGy_air/s大幅降低至20 nGy_air/s，降幅高达约300倍，这使得探测器能够胜任对微弱辐射信号的精准捕捉。此外，器件的暗电流漂移更小，工作稳定性也得到明显改善，展现了其在低成本、高性能X射线成像领域的巨大应用潜力。

图4.（a）对照组与目标组空穴-only器件的载流子迁移率-寿命积；（b）对照组与目标组空穴-only器件的空间电荷限制电流曲线；（c）对照组器件的信噪比；（d）对照组与（e）目标组器件在不同工作偏压下的灵敏度；（f）目标组器件的信噪比

图5.（a）目标组器件对带螺帽螺钉进行X射线成像的示意图；（b）分别由高纯度和低纯度原料生长的单晶器件的暗电流漂移；（c）分别由高纯度和低纯度原料生长的单晶器件在多次X射线开关循环下的响应

泽攸科技JS系列台阶仪作为国产高精度表面测量设备的代表，凭借其创新的技术架构、灵活的应用场景及可靠的测量性能，可以对微纳结构进行膜厚和台阶高度、表面形貌、表面波纹和表面粗糙度等的测量，在高校、研究实验室和研究所、半导体和化合物半导体、高亮度LED、太阳能、MEMS微机电、触摸屏、汽车、医疗设备等行业领域有着广泛应用。作为国产科学仪器的突破性成果，JS系列台阶仪打破了国外品牌在表面测量设备领域的长期垄断，凭借高性价比与本地化服务优势，成为国内高校、科研机构及制造企业的优选设备。