一种基于肖特基结的钙钛矿辐射探测器及其制备方法

本公开属于辐射探测领域，具体涉及一种基于肖特基结构的钙钛矿辐射探测器及其制备方法。

背景技术：

1、辐射探测器(radiationdetector)是一种对核辐射和粒子的微观现象进行观察和研究的传感器件，辐射探测器的工作原理基于粒子与物质的相互作用。x射线探测器(x-raydetector)作为辐射探测器中的一种，可以将x射线转换为最终能转变为图像的“数字化信号”，因而被广泛应用于医疗诊断、放射治疗、深空探测、地质勘探、工业无损探伤、环境辐射监测等领域。

2、近年来，钙钛矿辐射探测器的发展十分迅速，基于溶液法生长的钙钛矿单晶的半导体辐射探测器性能已经远超诸如非晶硒、碘化汞等传统的半导体辐射探测器。目前，钙钛矿辐射探测器采用传统的层状结构，在层状结构中光生载流子需要迁移器件厚度的长度以获得较高的探测灵敏度，通常需要对器件施加几十到几百伏的工作电压，而较大的工作电压会加剧离子移动、降低器件的稳定性、限制了钙钛矿半导体辐射探测器在便携式辐射探测设备中的应用。

3、此外，钙钛矿半导体辐射探测器的发展还存在其他亟待解决的问题，比如：溶液生长法制备得到的钙钛矿单晶材料使得辐射吸收层的尺寸受限，制备大面积、高质量的钙钛矿x射线吸收层仍比较困难，影响辐射探测器的灵敏度、低剂量探测能力、空间分辨率；钙钛矿材料与水、氧气接触容易分解，导致器件稳定性较差等。

4、因此，探索一种能够同时满足大面积制备、高稳定性、高探测性能、低工作电压需求的新型辐射钙钛矿型辐射探测器具有深远意义和实用价值。

技术实现思路

1、有鉴于此，为了突破传统钙钛矿型辐射探测器因结晶性能而限制辐射探测器尺寸的技术问题，同时研发在低工作电压下具有高稳定性和高探测性能的辐射探测器，本公开提出了一种基于肖特基结的钙钛矿辐射探测器及其制备方法。

2、在本公开的一个方面，提出了一种基于肖特基结的钙钛矿辐射探测器的制备方法，包括：

3、将碳浆在第一衬底上刮涂成膜，经过退火处理，得到碳电极层；

4、将碳浆在第二衬底上刮涂成膜，在有机溶剂中浸泡10分钟以上，将碳膜从第二衬底上剥离，在空气中静置，直至有机溶剂完全挥发，得到多孔碳膜；

5、将有机铵盐或铯盐与金属卤化物溶解于极性有机溶剂中，得到钙钛矿溶液，将钙钛矿溶液浇注在多孔碳膜上，在压力条件下，使得钙钛矿溶液向多孔碳膜渗透，经过退火处理后得到由多孔碳-钙钛矿复合材料组成的辐射吸收层；

6、将辐射吸收层放置在碳电极层上，在压力条件下，使辐射吸收层与碳电极层结合；

7、将钙钛矿溶液涂布在辐射吸收层上，经过退火处理后，得到致密钙钛矿层；

8、将有机空穴注入材料涂布在致密钙钛矿层上，得到空穴注入层；

9、将导电金属通过热蒸镀处理在空穴注入层上成膜，形成顶电极层，得到基于肖特基结的钙钛矿辐射探测器。

10、根据本公开实施例，将碳浆在第一衬底上刮涂成膜，经过退火处理的条件包括：退火温度范围包括100～120℃，退火时长范围包括10～30min。

11、根据本公开实施例，金属卤化物包括碘化铅、碘化锡、碘化铜、碘化锰、溴化铅、溴化锡、溴化铜、溴化锰、氯化铅、氯化锡、氯化铜、氯化锰中的一种或多种；

12、有机铵盐包括碘化甲胺、碘化甲脒、溴化甲胺、溴化甲脒、氯化甲胺、氯化甲脒中的一种或多种；

13、铯盐包括碘化铯、溴化铯、氯化铯中的一种或多种；

14、有机铵盐(或铯盐)和金属卤化物的化学计量比包括2:1～1:1。

15、根据本公开实施例，钙钛矿溶液向多孔碳膜渗透过程中，压力条件包括1.1～5bar，退火处理条件包括：退火温度范围包括80～180℃，退火时长范围包括2～10h。

16、根据本公开实施例，辐射吸收层与碳电极层结合过程中，压力条件包括加压范围大于0.01mpa；

17、将钙钛矿溶液涂布在辐射吸收层上，经过退火处理的条件包括：退火温度范围包括50～180℃，退火时长范围包括5～30min。

18、根据本公开实施例，有机空穴注入材料包括以下之一：聚三苯胺、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]、聚乙烯基咔唑。

19、在本公开的另一方面提出了一种上述方法制备得到的基于肖特基结的钙钛矿辐射探测器，包括依次层叠设置的：

20、碳电极层，用于传导空穴以输出电信号；

21、辐射吸收层，形成于碳电极层之上，辐射吸收层通过多孔碳-钙钛矿复合材料制备得到，具有能够形成内建电场的肖特基结，用于响应于x射线产生载流子；

22、致密钙钛矿层，形成于辐射吸收层之上，用于隔绝辐射吸收层与空穴注入层，防止辐射探测器漏电；

23、空穴注入层，形成于致密钙钛矿层之上，用于注入空穴以维持钙钛矿辐射探测器内部结构电中性并形成回路；以及

24、顶电极层，形成于空穴注入层之上，用于接收外加偏压以引导辐射吸收层产生的载流子向碳电极层的方向移动，辅助提取辐射吸收层产生的载流子。

25、根据本公开实施例，辐射吸收层产生的载流子包括光生空穴和光生电子。

26、根据本公开实施例，空穴在肖特基结的内建电场的作用下被碳电极层提取，光生电子在肖特基结阻碍下被束缚在辐射吸收层中。

27、在本公开的另一方面提出了一种钙钛矿辐射探测阵列，包括均匀分布的多个上述辐射探测器。

28、根据本公开实施例，本公开提出了一种基于肖特基结的钙钛矿辐射探测器及其制备方法。通过制备多孔碳-钙钛矿复合材料，构建了具有肖特基结的辐射吸收层，不受钙钛矿单晶材料的生长尺寸局限，可以制备得到大面积的辐射吸收层，具有良好的均匀性和空间分辨率。同时，本公开通过简单的制备方法即可制备得到工作性能稳定，探测分辨性能好的钙钛矿型辐射探测器。

29、根据本公开实施例，本公开提出的辐射探测器中，辐射吸收层为具有肖特基结的多孔碳-钙钛矿复合材料，可以在提高辐射探测器探测性能的同时，降低其工作电压，使得钙钛矿辐射探测器具备出色的性能和稳定性。低工作电压使得多孔结构的辐射探测器可以应用到便携式的器件中，实现更加快速、准确的便携式辐射探测。同时，大面积、均匀的多孔碳-钙钛矿辐射探测阵列展示出了出色的均匀性和空间分辨率。

技术特征：

1.一种制备基于肖特基结的钙钛矿辐射探测器的方法，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，将碳浆在第一衬底上刮涂成膜，经过退火处理的条件包括：退火温度范围包括100～120℃，退火时长范围包括10～30min。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述钙钛矿溶液向所述多孔碳膜渗透过程中，所述压力条件包括1.1～5bar，所述退火处理条件包括：退火温度范围包括80～180℃，退火时长范围包括2～10h。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述有机空穴注入材料包括以下之一：聚三苯胺、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]、聚乙烯基咔唑。

7.一种如权利要求1～6所述方法制备得到的基于肖特基结的钙钛矿辐射探测器，其特征在于，包括依次层叠设置的：

8.根据权利要求7所述的辐射探测器，其中，所述辐射吸收层(2)产生的载流子包括光生空穴和光生电子。

9.根据权利要求7所述的辐射探测器，其中，所述空穴在所述肖特基结的内建电场的作用下被碳电极层(1)提取，所述光生电子在所述肖特基结阻碍下被束缚在所述辐射吸收层(2)中。

10.一种钙钛矿辐射探测阵列，包括均匀分布的多个如权利要求7～9中任一项所述的辐射探测器。

技术总结
本公开提出了一种制备基于肖特基结的钙钛矿辐射探测器的方法，包括：将碳浆在第一衬底上刮涂成膜，经过退火处理，得到碳电极层；将碳浆在第二衬底上刮涂成膜，在有机溶剂中浸泡10分钟以上，将碳膜从第二衬底上剥离，在空气中静置，直至有机溶剂完全挥发，得到多孔碳膜；将有机铵盐或铯盐与金属卤化物溶解于极性有机溶剂中，得到钙钛矿溶液，将钙钛矿溶液浇注在多孔碳膜上，在压力条件下，使得钙钛矿溶液向多孔碳膜渗透，经过退火处理后得到由多孔碳‑钙钛矿复合材料组成的辐射吸收层；将辐射吸收层与碳电极层压合；在辐射吸收层上依次制备制备钙钛矿层、空穴注入层和顶电极层，得到基于肖特基结的钙钛矿辐射探测器。

技术研发人员：肖正国,张以涵
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12