X射线探测在医学成像、安全检查、无损检测和科学研究等多个领域发挥着关键作用。半导体直接探测器相较于传统闪烁体探测器，具有高空间分辨率和系统配置简单的优点。卤化物钙钛矿因其高吸收系数、低陷阱密度和大μτ乘积等特性，成为高灵敏度X射线探测的优选材料。其中，三维(3D)铅卤化物X射线探测器的灵敏度已提高到20,000 µC Gyair^-1 cm^-2以上，这比市面上的α-Se探测器(440 µC Gyair^-1 cm^-2)高出了几个数量级。低维钙钛矿探测器的探测限已降至5 nGyair s^-1以下，比α-Se X射线探测器低了三个数量级以上。尽管钙钛矿材料展现出潜力，但集成所有理想特性到单一材料中存在挑战。例如，3D钙钛矿通常存在高暗电流、高探测限和严重的离子迁移问题，而低维钙钛矿表现出有限的电荷传输能力，因此X射线灵敏度较低。从半导体物理学的角度来看，高灵敏度需要大的μτ乘积，而低暗电流和低探测限需要高电阻率(ρ = 1/neμ)——低载流子迁移率(μ)和浓度(n)。在这方面，材料的μτ乘积和电阻率之间存在权衡限制，上限由载流子寿命和浓度的比率(τ/n)定义。该研究旨在打破μτ乘积和电阻率之间的权衡限制，通过增加材料的固有载流子寿命来实现高灵敏度、低暗电流和低探测限。

通过设计具有长载流子寿命的反钙钛矿材料，打破了传统X射线探测材料的性能权衡限制。实现了高灵敏度、低暗电流和超低探测限的X射线探测器。提出了一种新的材料设计策略，推动X射线探测技术，有助于开发更广泛的反钙钛矿材料，也为其他光电应用领域提供了新思路：

（1）研究表明载流子寿命在打破μτ乘积和电阻率之间的权衡中起着关键作用。通过构建间接带隙跃迁和低对称性杂化轨道，成功合成了新型有机-无机杂化反钙钛矿材料，显著提升了载流子寿命至超过3毫秒。

（2）合成材料(2-Habch)₃Cl(PtI₆)展现出了大μτ乘积（10⁻³ cm² V^-1）和高电阻率（10¹² Ω cm）。

（3）在-1V偏压下，探测器同时实现了高灵敏度（1.0×10⁴ μC Gyair^-1 cm^-2）、低暗电流（0.21 nA cm^-2）和超低探测限（2.4 nGyair s^-1），并且具有出色的操作稳定性。

（4）尽管使用的铂（Pt）相对昂贵，但这种设计策略可以扩展到包括SnI₆²⁻、ZrI₆^2-、HfI₆^2-、ReI₆^2-、OsI₆^2-和IrI₆^2-等材料，为定制钙钛矿的电子特性提供了新方向。

文中采用了多种测试表征分析技术：

□ 时间分辨光致发光(TRPL)测试，用于测量载流子寿命， 分析材料载流子动力学；

□ 紫外-可见(UV-vis)吸收光谱，用于分析材料的光吸收特性；

□ 密度泛函理论(DFT)计算，用于理解电子结构和带隙；

□ 空间电荷限制电流(SCLC)方法，用于测量载流子迁移率；

□ 时间飞行(TOF)方法，用于测量载流子迁移率；

□ 电阻率测量，用于评估材料的暗电流特性；

□ 噪声功率谱密度测量，用于评估探测器的噪声水平；

□ X射线探测器性能测试，包括灵敏度、暗电流、探测限和时间响应等。

其中，利用时间飞行(TOF)法测试载流子迁移率，测量合成材料(2-Habch)₃Cl(PtI₆)的载流子迁移率为1.72 cm²V⁻¹s⁻¹，进而更进一步获得迁移率寿命积μτ。文中讨论了TOF测量得到的载流子迁移率与探测器的其他性能指标（如暗电流、灵敏度和探测限）之间的关系。这些信息表明，TOF技术在评估和理解新型有机-无机杂化反钙钛矿材料的电子特性及其在X射线探测器中的应用方面发挥了重要作用。

飞行时间法迁移率测量仪FlyTOF是东谱科技HiTran瞬态综合光电特性测量平台中的重要成员，是东谱科技源头研发产品，是业内首款自动化、集成化的飞行时间法迁移率测试商业化设备。

该系统利用飞行时间法（Time-of-Flight，TOF）测量半导体材料的迁移率以及相关的光电特性，广泛适用于各类半导体材料，如硅基半导体第二代半导体、第三代宽带隙半导体、有机半导体、钙钛矿半导体、量子点半导体、二维材料半导体、金属-有机框架(MOF)、共价有机框架(COF)等。FlyTOF基于东谱科技的 MagicBox主机研制而成，配备便捷的上位机控制和数据测量软件，具有高度集成、自动化的特点，可助力客户进行快速、准确的测量。

□ 电子/空穴迁移率；

□ TOF瞬态光电流TPC；

□ 收集电荷量、电荷收集效率、载流子迁移率寿命积；

□ 支持变温测量、表面载流子迁移率测量、载流子二维扫描成像等测试参数。

□ 有机半导体（NPB、MEH-PPV、PCBM）

□ 金属-有机框架（MOF）

□ 共价有机框（COF）

□ 钙钛矿材料（钙钛矿薄膜、钙钛矿粉末、钙钛矿单晶）

□ 闪烁体（碲锌镉、碲化镉）

□ 二维材料（石墨烯、二维钙钛矿薄膜）

□ 元素半导体（Si、Ge等）

□ 化合物半导体（InGaAs等）

□ 宽带隙第三代半导体（SiC、GaN）

□ 量子点半导体（硫化镉、碲化镉、钙钛矿）

□ 其它半导体材料

▍引用文章

Anti-perovskites with long carrier lifetime for ultralow dose and stable X-ray detection

https://www.nature.com/articles/s41566-024-01482-3