钙钛矿材料因其优异的光电特性，在太阳能电池、LED和光电探测器等领域崭露头角，尤其在直接型X射线探测器中展现出巨大潜力。近年来，三维、二维及零维钙钛矿单晶和多晶薄膜的制备技术不断进步，推动了钙钛矿基平板X射线成像器的商业化进程。然而，尽管已报道的多种以钙钛矿材料为吸光层的X射线探测器器件，在灵敏度和探测极限等方面展现了巨大优势，其部分材料性质，无法满足与相应读出电路板协同有效工作的最低要求，使得其它优秀的性能指标失去了意义。这是目前钙钛矿平板成像亟待解决的瓶颈问题。具体来说，一方面钙钛矿材料的热膨胀系数与电路板表面材料不匹配，导致致密的钙钛矿厚膜在退火过程中，容易脱附或皲裂。另一方面，钙钛矿材料过高的暗电流和严重的离子迁移性质不能与成像电路板像素内的电容相匹配，进而无法实现高质量的平板成像。这一关键问题急需一种普适的解决策略。
近日，北京大学深圳研究生院杨世和教授领导的研究团队以“Crystalline Orientation Control Enhanced Adhesion of Perovskite to Large-Area Readout Board for High-Performance X-Ray Imaging”为题于《Advanced Functional Materials》发表论文，提出了一种通过控制晶体取向来实现钙钛矿材料与X射线成像电路板之间电子学与力学性质匹配的新策略。
该策略不仅显著提高了钙钛矿厚膜与电子电路板之间的匹配度，还有效解决了长期以来困扰研究人员的电荷共享效应问题，为高性能X射线成像技术的发展开辟了新的道路。研究中选用了一种低维MA3Bi2I9钙钛矿材料，采用自主研发的汽-液-固（ALS）制备方法（Matter 2021, 4, 942.），在环境条件下成功制造出了具有巨大晶粒尺寸和卓越致密性的钙钛矿厚膜。通过向前驱体溶液中添加适量的水分子（体积比0-2%），研究团队能够精确调控钙钛矿厚膜的晶体取向，利用钙钛矿材料中广泛存在的晶面各向异性，灵活地调整和改进钙钛矿吸光层力学方面的热膨胀系数，以及暗电流、信噪比、响应速度、基线漂移等电子学性质，使其与读出电路板表面材料的膨胀系数以及像素电容、读出时序、线性范围等参数实现良好匹配。
图1 晶体取向调控钙钛矿材料电学性质与力学性质
实验结果表明，基于该技术的钙钛矿探测器拥有2.8×3.2 cm的大面积X射线成像区域，空间分辨率达到4.0 lp mm-1。此外，该探测器在10 nA cm-2的低暗电流水平下，表现出了588 μCGyair-1 cm-2的高灵敏度。更令人振奋的是，这款设备能够清晰展示生物样本和高端工业电子产品的内部结构细节，展现出其在实际应用中的巨大潜力。
图2 钙钛矿X射线探测器的平板成像
这项研究成果不仅证明了零维钙钛矿材料在X射线平面成像领域的广阔前景，也凸显了晶体取向控制策略在解决钙钛矿材料与电路板之间兼容性问题上的重要价值。随着相关技术的进一步发展和完善，未来将有望推出更多高效、经济的X射线成像产品，为医疗诊断、工业检测等多个领域带来新的突破。相关论文第一作者为北京大学新材料学院的博士后钱微，通讯作者为北京大学深圳研究生院王新炜研究员和杨世和教授。深圳湾实验室和香港科技大学化学系黄端博士，北京大学新材料学院的硕士生唐雨朴等人在实验和理论计算方面也做出了突出贡献。本研究得到了国家自然科学基金以及深圳湾概念验证基金的大力支持。
来源：高分子科学前沿
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