近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光元件技術與工程部薄膜光學研發中心邵宇川研究員團隊，基于脈沖電壓法提出了對鈣鈦礦器件偏壓下電流漂移現象的理解，并基于此實現了MAPbBr3 X射線探測器件在高偏壓下的穩定探測性能。相關研究成果以“Toward Understanding the Current Drift Using Pulsed Voltage for a Stable Perovskite X-ray Detector”為題發表于ACS Photonics。
 

　　金屬鹵化物鈣鈦礦作為最具潛力的X射線探測材料，其光電性能已大幅超越傳統半導體材料，但是其電場下的穩定性嚴重限制了其在商業上的應用。以往針對材料本身及器件電極結構上的優化，雖然也取得了不錯的成績，但是其高偏壓下的穩定性依然受限。在直流偏壓作用下，鈣鈦礦內部離子持續遷移，并在電極界面處積累，從而影響電流基線的穩定性，而脈沖電壓能夠顯著降低離子遷移，削弱離子對電流基線的影響。鈣鈦礦X射線探測器件的電流呈現復雜的變化趨勢，因此需要對其電流漂移機理進行進一步的研究。
 

　　本研究通過脈沖電壓法研究器件在電場作用下的電流漂移現象，發現隨著等待時間的加長，電流漂移逐漸從正向漸增漂移變為負向漸減漂移，并逐漸趨近于零漂移，且在不同電壓下呈現負向漂移的飽和現象，該現象與鈣鈦礦材料的“軟”晶格特性緊密相關。在外加電場作用下，離子偏離其晶格位置產生擴展的晶格畸變與分子取向會形成反向的離子極化場，從而降低暗電流；而離子進一步的偏移則會導致缺陷增值，并形成明顯的離子電流，從而增大暗電流。在外加電場作用下，離子極化與缺陷增殖兩者同時發生。對于脈沖電壓而言，由于等待時間的存在，撤去外加電場后離子極化與缺陷增殖開始自愈合，然而兩者自愈合時間存在差異，使得脈沖電場作用下的電流漂移呈現明顯的等待時間依賴關系。在此基礎上，引入螯合電極(Al-BCP)，從而平衡電壓與等待時間，實現高偏壓下對X射線的穩定探測。MAPbBr3單晶器件在100 V的脈沖電壓作用下實現了1.13 × 105 μC Gyair?1 cm?2的高靈敏度和0.7 nGyair s?1的低探測極限。該項研究為鈣鈦礦器件電流漂移的實驗和理論理解提供了新的理解，展示了基于脈沖電壓方法的鈣鈦礦X射線探測器件的重要應用潛力。
 

　　圖 1. (a)直流電壓工作模式及器件內部離子遷移機理；(b)脈沖電壓工作模式及器件內部離子遷移機理；(c)不同等待時間下電流漂移趨勢；(d)不同偏置電壓下電流漂移變化趨勢；(e)影響電流漂移材料內部離子極化與缺陷增殖機理

 

　　圖 2. (a)脈沖電壓法工作示意圖；(b)脈沖電壓法低X射線劑量下MAPbBr3器件穩定性；(c)MAPbBr3器件性能對比