研究背景

金屬鹵化物鈣鈦礦因其光電特性，包括高X射線衰減能力、優異的載流子傳輸性能和可調的帶隙，成為下一代X射線探測器領域中一類極具前景的材料。特別是單晶鈣鈦礦，由于其缺陷更少且沒有晶界，相比多晶材料展現出更優越的性能，帶來了更高的靈敏度和更低的電子噪聲。這些特性對于醫學成像、工業無損檢測和科學研究等應用至關重要。然而鈣鈦礦X射線探測器的廣泛應用在制造和穩定性方面仍面臨著重大挑戰。

一個主要障礙是生長大尺寸、高質量單晶的成本高昂且難度巨大。這類晶體的合成傳統上需要高純度的原材料，這不僅價格不菲，也顯著增加了生產成本。此外，生長大尺寸單晶的工藝往往復雜而耗時。另一個主要挑戰是許多鈣鈦礦材料（尤其是有機-無機雜化類型）的本征不穩定性，它們在暴露于熱、濕氣或長期輻射下容易發生降解，從而限制了器件的工作壽命。從戰略需求上看，當前迫切需要開發能夠生產大尺寸、穩定且高性能的鈣鈦礦單晶的低成本合成方法。這包括探索使用純度較低、因而價格更便宜的原材料，并深入理解特定雜質在晶體生長和器件性能中如何被容忍，甚至可能產生有益的影響。解決這些挑戰是推動鈣鈦礦X射線探測器商業化，并充分發揮其在高性能、低成本成像應用中潛力的關鍵。

針對上述問題，由西南大學組成的團隊利用澤攸科技JS系列臺階儀進行了系統研究，其核心創新在于顛覆性地發現，低成本原料中的碳酸鉛（PbCO?）雜質反而能顯著提升鈣鈦礦單晶的質量和X射線探測性能。

標題：Impurity PbCO3 from Low-Purity Raw Material Improves MAPbBr3 Single-Crystalline X-ray Detectors

期刊：Journal of Physical Chemistry Letters

網址：https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5c02181

“反常識”的發現：雜質竟是晶體質量的“助推器”

傳統觀念認為，制備高性能鈣鈦礦單晶必須使用昂貴的高純度（如99.999%）原材料，以避免雜質引入缺陷。然而，西南大學團隊的研究顛覆了這一認知。他們意外地發現，使用成本更低的低純度（99%）溴化鉛（PbBr?）原料生長的MAPbBr?單晶，其透明度和表面光滑度反而優于高純度原料制備的晶體。研究團隊推測，這種性能提升的關鍵在于低純度原料中存在的一種主要雜質——碳酸鉛（PbCO?）。為了精確定量這種表面質量的差異，研究團隊使用了澤攸科技的JS10A臺階儀對晶體表面粗糙度進行了測量，結果證實，含有PbCO?雜質的目標組晶體，其表面平整度比控制組晶體高出一個數量級，這直觀地證明了該雜質對抑制表面缺陷、改善晶體生長質量起到了積極作用。

圖1. (a) 控制組和目標組MAPbBr?鈣鈦礦單晶的照片。(b)控制組和(c)目標組MAPbBr?鈣鈦礦單晶的激光入射照片。(d) 控制組和目標組晶體的透射式及偏光式光學顯微鏡圖像。(e) 控制組和目標組的晶體粗糙度

揭示內在優勢：從力學到電學性質的全面提升

為了探究PbCO?雜質對晶體內部性質的深層影響，團隊進行了一系列精密的表征。在力學性能方面，通過納米壓痕測試發現，目標組晶體的楊氏模量在不同位置高度一致，而控制組則表現出較大波動，這表明PbCO?的加入使得晶體內部結構更加均勻，減少了結構缺陷。在電學性質上，開爾文探針力顯微鏡（KPFM）測量顯示，目標組晶體具有更均勻的表面電勢和更高的功函數。X射線光電子能譜（XPS）分析進一步揭示，目標組晶體的鉛（Pb 4f）和溴（Br 3d）的芯能級向更高的結合能移動。這些結果共同指向一個結論：PbCO?的存在有效鈍化了晶體表面和內部的缺陷，使得晶體“更具本征性”，為器件性能的提升奠定了堅實的材料基礎。

圖2. (a) 控制組和 (b) 目標組不同位置的應力-應變曲線。(c) 控制組和目標組MAPbBr?鈣鈦礦單晶在不同位置的楊氏模量

圖3.（a）對照組和（b）目標組MAPbBr?鈣鈦礦單晶的開爾文探針力顯微鏡圖像；（c）對照組與目標組鈣鈦礦單晶的能量帶結構；（d）對照組與目標組晶體的Pb 4f和（e）Br 3d的X射線光電子能譜圖譜

性能的飛躍：實現更高靈敏度與更低探測極限

優異的材料性質最終轉化為了探測器性能的巨大飛躍?；诤蠵bCO?雜質的單晶所制備的X射線探測器，其關鍵性能指標得到了顯著增強。與控制組相比，目標組器件的載流子遷移率壽命積（μτ值）從9.1 × 10?3 cm2 V?1提升至1.3 × 10?2 cm2 V?1。在實際X射線探測中，其靈敏度從2860.86 μC Gy_air?1 cm?2提升至5625.77 μC Gy_air?1 cm?2，幾乎翻了一倍。更為關鍵的是，其低探測極限從6.36 μGy_air/s大幅降低至20 nGy_air/s，降幅高達約300倍，這使得探測器能夠勝任對微弱輻射信號的精準捕捉。此外，器件的暗電流漂移更小，工作穩定性也得到明顯改善，展現了其在低成本、高性能X射線成像領域的巨大應用潛力。

圖4.（a）對照組與目標組空穴-only器件的載流子遷移率-壽命積；（b）對照組與目標組空穴-only器件的空間電荷限制電流曲線；（c）對照組器件的信噪比；（d）對照組與（e）目標組器件在不同工作偏壓下的靈敏度；（f）目標組器件的信噪比

圖5.（a）目標組器件對帶螺帽螺釘進行X射線成像的示意圖；（b）分別由高純度和低純度原料生長的單晶器件的暗電流漂移；（c）分別由高純度和低純度原料生長的單晶器件在多次X射線開關循環下的響應

澤攸科技JS系列臺階儀作為國產高精度表面測量設備的代表，憑借其創新的技術架構、靈活的應用場景及可靠的測量性能，可以對微納結構進行膜厚和臺階高度、表面形貌、表面波紋和表面粗糙度等的測量，在高校、研究實驗室和研究所、半導體和化合物半導體、高亮度LED、太陽能、MEMS微機電、觸摸屏、汽車、醫療設備等行業領域有著廣泛應用。作為國產科學儀器的突破性成果，JS系列臺階儀打破了國外品牌在表面測量設備領域的長期壟斷，憑借高性價比與本地化服務優勢，成為國內高校、科研機構及制造企業的優選設備。