X射线探测用CsPbBr3晶体生长及离子迁移机理研究

Halide perovskite CsPbBr3 crystals with high atomic numbers and excellent carrier transport properties could be used for X-ray detection. However, the ion migrations under the high working electrical field degrade the stability of the detectors. The ions migrations are closely related to both Br vacancy behaviors and the paths of migration. In this project, we plan to control the Br vacancy states and crystal orientations in CsPbBr3 crystals by using the growth and processing technologies. Therefore, the migration barrier and critical electrical field can be increased to restrain the ion migration. The research contents include: (1) to design crystal growth and processing of CsPbBr3 crystals and evaluate the Br vacancies. The formation of Br vacancies associated with the law Br bonding will be discussed. (2) To build the model of ion migrations, the ion migration experiments with a variable of Br vacancy states and crystal orientations are carried out. The coupling effects of Br vacancies, crystal orientations and ion migrations under external electrical fields will be summarized. (3) The X-ray detecting properties will be evaluated based on the detectors with a variable of Br vacancy states and crystal orientations. The main parameters of CsPbBr3 crystals which determined the X-ray detection will be summarized. By optimizing the parameters of the crystal growth and processing, and studying the mechanism of Br ion migration, the large size and high quality CsPbBr3 crystals meeting the requirement of X-ray detection will be obtained. This project will provide solid experimental and theoretical basis for CsPbBr3 crystals used for X-ray detection.

卤化物钙钛矿CsPbBr3晶体具有高的原子序数和优异的载流子传输性能，有望用于X射线探测。但高工作电压下容易产生离子迁移，制约了探测器的稳定性。而离子迁移与Br空位状态和迁移路径密切相关。本项目拟通过晶体生长技术和加工工艺设计，控制Br空位状态和晶体学取向，来提高离子迁移势垒和临界电场，从而抑制离子迁移。主要研究：(1)CsPbBr3晶体生长、加工技术优化及Br空位的评估，归纳成键控制对Br空位形成的影响规律。(2)结合多种Br空位和晶向的离子迁移实验，构建离子迁移模型，归纳Br空位、晶体取向与外电场下离子迁移的耦合规律。(3)制备多种Br空位状态和特定晶体取向的CsPbBr3晶体探测器，总结影响X射线响应的主要因素。通过晶体生长、加工工艺优化和离子迁移机理的研究，获得满足X射线探测要求的大尺寸、高质量的CsPbBr3晶体，为实现该晶体用于X射线探测提供实验和理论的支持。

卤化物钙钛矿CsPbBr3晶体具有高的原子序数和优异的载流子传输性能，有望用于X射线探测。但高工作电压下容易产生离子迁移，制约了探测器的稳定性。而离子迁移与Br空位状态和迁移路径密切相关。本项目拟通过晶体生长技术和加工工艺设计，控制Br空位状态和晶体学取向，来提高离子迁移势垒和临界电场，从而抑制离子迁移。主要研究：(1)CsPbBr3晶体生长、加工技术优化及Br空位的评估，归纳成键控制对Br空位形成的影响规律。(2)结合多种Br空位和晶向的离子迁移实验，构建离子迁移模型，归纳Br空位、晶体取向与外电场下离子迁移的耦合规律。(3)制备多种Br空位状态和特定晶体取向的CsPbBr3晶体探测器，总结影响X射线响应的主要因素。.该项目取得了如下进展：（1）优化了晶体生长工艺，采用溶液法制备高质量、大尺寸的CsPbBr3单晶。（2）发现了CsPbBr3晶体离子迁移现象及缺陷增殖效应。（3）采用非对称电极工艺，设计了高灵敏度、高稳定性CsPbBr3单晶X射线探测器，超高的X射线的灵敏度1.256 mC·Gy-1·cm-2 @ 40 V。（4）Cl/I掺杂的高质量CsPbBr3单晶生长与设计，连续了调节晶体载流子浓度和迁移率，实现了晶体的N\P型转换。（5）发现了CsPbBr3晶体中第二相及其演变机理，并揭示第二相对载流子输运负面影响。（6）发现了CsPbBr3晶体遍存在的新型双畴缺陷。在生长的CsPbBr3晶体中发现了两种正交晶域结构，{1 2 1}反射孪晶和沿[1 0 -1]的90度旋转。这些畴具有铁弹性，这与相变引起的自发应变有关。（7）提出了“电压循环”技术，获得CsPbBr3晶体器件稳定Alpha粒子探测能谱。.通过晶体生长、加工工艺优化和离子迁移机理的研究，获得满足X射线探测要求的大尺寸、高质量的CsPbBr3晶体，为实现该晶体用于X射线探测提供实验和理论的支持。