上海光机所在钙钛矿光电探测器实现稳定灵敏辐射探测方面取得进展

近日，中科院上海光机所邵宇川研究员团队，基于体相离子迁移的主动修复方法实现了低漂移、高灵敏度的钙钛矿X射线探测器。相关研究成果以“Low-Drift and High-Sensitivity Perovskite X‑ray Detector through Proactive Healing of Bulk Ion Migration” 为题发表于ACS Applied Materials & Interfaces。

金属卤化物钙钛矿作为最具潜力的X射线探测材料，其光电性能已大幅超越传统半导体材料，但由于其稳定性的限制，使得在商业上的应用受到了极大的阻碍。钙钛矿器件的稳定性主要包括环境稳定性与电场稳定性两方面，其中环境稳定性能够通过封装屏蔽环境水氧解决，但电场稳定性却因偏置电压驱动下离子迁移导致难以实现。因此，解决钙钛矿器件的电场稳定性是决定其能否真正取代传统半导体辐射探测器件的关键问题。

本研究针对钙钛矿材料的场致离子迁移现象，提出了交流电压法以主动修复偏置电压下的离子迁移，避免了离子持续迁移积累所导致的器件失效，从而实现工作过程中的长期稳定。针对电流稳定性进一步分析发现，相比较于直流偏置下的电流持续漂移，本研究所提出的交流电压法仅在新器件初始施加电压的过程中表现为轻微的初始衰减，断电后再次施加则不会重复这一过程。电流的衰减被证明为器件缺陷降低的结果，光电响应的提高也进一步验证这一现象，因此，交流电场可以作为一种电场预处理手段，用于降低钙钛矿材料缺陷。在此基础上，基于电场预处理后的Au/MAPbBr3/Au器件实现了低暗电流漂移及高灵敏度，并进行了低剂量下的X射线成像。该研究不仅展示了对钙钛矿器件离子迁移主动修复的深刻见解，而且提供了有效的预处理和工作策略。

图1. 基于交流电压法的离子迁移主动修复策略。（a）交流电压法下的电压序列；（b）电场驱动下的离子迁移；（c）Au/MAPbBr3/Au器件在直流偏置、脉冲电压与交流电压下的电流-电压曲线；（d）Au/MAPbBr3/Au器件在直流偏置与交流电压下的长期稳定性。

图2. Au/MAPbBr3/Au器件成像。（a）成像示意图；（b）基于交流电压法的低剂量成像。

相关工作得到上海市探索者项目支持。

相关链接：https://doi.org/10.1021/acsami.5c04386