研究背景
有機無機雜化鈣鈦礦材料具有較低的缺陷態密度、較長的載流子壽命、較高的載流子遷移率和低的製備成本等優點，近年來在高能X射線的探測領域得到了越來越多的關注。與常見的三維鈣鈦礦和單胺基Ruddlesden-Popper (A)2A′n-1MnY3n+1二維鈣鈦礦相比，直鏈雙胺陽離子的AA′n1MnX3n+1是一種新型二維鈣鈦礦，兼有出色的載流子傳輸和穩定性。然而，其光電特性尚未被完全探究清楚，且缺乏大尺寸高質量的單晶材料用於光電器件應用。
成果簡介
最近，陝西師範大學趙奎教授與南京工業大學陳永華教授合作，報導了一種優化的降溫結晶方法（modified temperature crystallization method），成功生長出釐米尺寸的二維鈣鈦礦(BDA)PbI4單晶。光電性質研究表明(BDA)PbI4單晶的缺陷態密度低達3.1×109 cm-3，基於(BDA)PbI4單晶材料的X射線探測器獲得了242 C Gyair-1 cm-2的靈敏度、430 nGyair s-1的低探測極限、7.3 ms的短響應時間、6.06 ×10-9 nA cm-1 s-1 V-1的低暗電流基線漂移、以及極好的穩定性。上述結果說明基於直鏈雙胺陽離子的AA′n1MnX3n+1型二維鈣鈦礦單晶在X射線探測應用的巨大潛力。該成果已於5月20日發表在Wiley旗下期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。
圖1.（a）30 ℃/h；（b）1 ℃/h的恆定速率降溫生長的(BDA)PbI4單晶照片；（c）釐米尺寸的(BDA)PbI4單晶照片；（d）(BDA)PbI4單晶XRD圖譜；（e-f） (BDA)PbI4在（e）（001）面和（f）（010）面的結構示意圖。
圖2.（a-b）(BDA)PbI4晶體（a）（001）面；（b）（010）面SEM圖像；（c）(BDA)PbI4晶體AFM圖像；（d）(BDA)PbI4晶體EDS圖譜；（e）(BDA)PbI4晶體XPS光譜；（f）(BDA)PbI4的 TGA和DSC曲線。
圖3.（a）(BDA)PbI4的ABS和PL圖譜；（b）(BDA)PbI4的TRPL圖譜；（c）(BDA)PbI4的電容-頻率和介電常數曲線；（d）(BDA)PbI4的缺陷態密度測試。
圖4 （a）(BDA)PbI4的平面型X射線探測器示意圖；（b）平面型X射線探測器工作中電場取向示意圖；（c）(BDA)PbI4的光導測試；（d）(BDA)PbI4的X射線探測器在不同劑量下的電流響應測試；（e）(BDA)PbI4的X射線探測器的時間響應測試；（f）(BDA)PbI4的X射線探測器的光電流和暗電流穩定性測試。
上述研究得到了陝西師範大學劉生忠教授與西北工業大學黃維院士大力支持。
文獻連結：
Centimeter-sized Single Crystal of Two-Dimensional Halide Perovskites Incorporating Straight Chain Symmetric Diammonium Ion for Efficient X-ray Detection
Yue Shen, Yucheng Liu, Haochen Ye, Yiting Zheng, Qi Wei, Yingdong Xia, Yonghua Chen,* Kui Zhao,* Wei Huang, Shengzhong (Frank) Liu*
Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202004160