电喷雾沉积结合晶种层辅助生长CsPbBr3钙钛矿厚膜实现高灵敏度直接X射线探测

本研究针对钙钛矿厚膜沉积中存在的均匀性差、工艺温度高、可扩展性受限等问题，开发了一种结合晶种层（SCL）辅助的电喷雾沉积技术，成功制备出40 μm厚的高质量CsPbBr3薄膜。该技术通过抑制咖啡环效应（CRE）并促进晶体定向生长，实现了探测器灵敏度达13561.56 μC Gyair?1 cm?2（5 V）和超低检测限（0.052 μGy s?1），为钙钛矿在医学影像、安检等领域的应用提供了新思路。

　　

X射线检测技术在医疗诊断、晶体学分析等领域具有不可替代的作用，但传统半导体材料如非晶硒（α-Se）和碲锌镉（CZT）存在相变温度低、工艺复杂等瓶颈。钙钛矿材料因其优异的光电性能成为研究热点，其中铯铅溴（CsPbBr₃）凭借高原子序数和稳定性被视为理想候选。然而，厚膜（>10 μm）制备过程中易出现咖啡环效应（CRE，液滴干燥时溶质边缘聚集现象）和晶体取向混乱，严重制约探测器性能。

西安交通大学的研究团队在《Organic Electronics》发表论文，提出通过晶种层（SCL）辅助的电喷雾沉积技术解决上述问题。该技术首先在基底上预沉积SCL，通过调控三相接触线（TPCL）的钉扎效应抑制CRE，同时诱导后续厚膜定向生长。研究采用X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）表征晶体结构，通过载流子迁移率-寿命积（μτ）和暗电流测试评估电学性能。

材料与方法
实验使用二甲基亚砜（DMSO）溶解PbBr₂和CsBr制备前驱体溶液，通过电喷雾法在SCL修饰的基底上沉积40 μm厚CsPbBr₃膜。关键步骤包括SCL的低温退火（<200°C）和TPCL动态控制。

结果与讨论

1. SCL对膜形态的调控：SCL使前驱体液滴的平衡接触角与后退角差值从15°降至3°，有效消除CRE（图2c）。SEM显示SCL样品表面粗糙度（RMS）降低至未修饰膜的1/4。
2. 晶体取向优化：XRD证实SCL诱导（002）晶面择优生长，μτ值提升至1.2×10^?3 cm² V^?1，为未修饰膜的3倍（图3d）。
3. 探测器性能：在20 keV软X射线照射下，器件灵敏度达13561.56 μC Gy_{air^?1 cm^?2（5 V），检测限突破商用α-Se探测器10倍（图4b）。暗电流密度低至10^?8 A cm^?2，归因于SCL减少晶界缺陷。}

结论与意义
该研究通过SCL辅助的电喷雾技术实现了钙钛矿厚膜的可控制备，揭示了膜形态与探测器性能的构效关系。其低工艺温度（<200°C）和可扩展性为产业化奠定基础，而高灵敏度特性在低剂量医疗影像（如乳腺CT）中具有应用潜力。Haomiao Li和Bo Jiao等作者指出，该方法可拓展至其他钙钛矿体系（如CsPbI₃），为下一代辐射探测材料设计提供普适性策略。