[发明专利]一种纯无机铅卤钙钛矿吸收层及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及半导体材料技术领域，公开涉及一种纯无机铅卤钙钛矿的X射线探测器及其制备方法和应用，制备方法包括将涂有SnO₂中间层的导电衬底置于双温区管式炉的低温区，将前驱体粉末置于双温区管式炉高温区作为蒸发源；石英管抽真空后，将所述低温区和高温区分别升温至100～300℃和550～660℃，通入载气，保温20～40min，在SnO₂中间层上形成钙钛矿膜，得到所述纯无机铅卤钙钛矿吸收层。该吸收层中钙钛矿层形貌良好，平整性高，稳定性好，制备的器件X射线灵敏度高，同时具有较好的稳定性和很低的暗电流，适用于X射线探测及成像应用。

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，具体涉及一种纯无机铅卤钙钛矿的X射线探测器及其制备方法和应用。

背景技术

在射线成像设备中，射线探测器是极其重要的组成部分，用于探测放射性射线的探测器一般有气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器等类型，其中半导体探测器通常具有最好的分辨率。自2015年首次报道了卤化物钙钛矿X射线探测器，便吸引了国内外大量学者的兴趣。

经过几年的发展，钙钛矿(ABX₃，A代表有机铵阳离子或无机金属阳离子，如CH₃NH₃、HC(NH₂)₂及Cs等；B代表二价金属离子，如Pb²⁺、Sn²⁺等，X代表卤素离子，如I、Cl、Br等)因其优异的光电特性，逐渐成为新一代的明星半导体材料。钙钛矿材料具有X射线衰减系数高、带隙可调节(1.5～2.2eV)、载流子扩散长度长(100～1000nm)、载流子的迁移率高(12.5～66cm²/V·s)等诸多优点；此外，这类材料还具备制备工艺简单、价格较为低廉等优势。另外，在X射线探测领域，比起有机无机杂化钙钛矿，纯无机钙钛矿通常具有更高的原子序数、密度和稳定性，因此在X射线探测领域，纯无机钙钛矿理论上更有潜力。

目前，钙钛矿X射线探测器件中的吸收层包括体单晶和多晶膜两种，其中钙钛矿体单晶通常有着更低的缺陷和更优秀的光电特性，但不能大面积制备以及有效地和导电衬底结合限制了其发展。而钙钛矿多晶膜可在导电衬底上进行大面积制备，因此在X射线成像领域具有更为广阔的应用前景。然而受制于前驱体材料较低的溶解度，利用传统溶液法制得的无机卤化物钙钛矿膜在膜厚上受到较大局限，无法实现X射线探测所必须的厚膜的制备。

与溶液法相比，气相沉积法避免了前驱体材料溶解度的限制，可快速制备高质量的钙钛矿多晶厚膜，且更易于实现大面积、低粗糙度和高表面覆盖率膜的制备，因此更加适用于制备无机卤化物钙钛矿X射线探测器。

申请公布号CN110016646A公开了一种用于射线探测的全无机钙钛矿层的制备方法，该制备方法包括：(1)制备全无机钙钛矿前驱体原料；(2)将原料分为多个蒸发源；(3)采用真空蒸发的方式在导电衬底上得到全无机钙钛矿层；该方法制备的全无机钙钛矿层依赖于多源真空沉积，生长速度慢，膜厚起伏大，可重复性低，得到的器件X射线响应不稳定，暗电流较大且基线有严重漂移现象。

申请公布号CN109355638A公开了一种相变可控的全无机钙钛矿薄膜制备方法及其在光电探测器中的应用，该制备方法包括：(1)将先驱物溴化铅和溴化铯分别置于气相沉积装置内，将衬底置于沉积区并对整个装置抽真空；(2)相气相沉积装置内通入惰性气体；(3)设定沉积温度和时间，沉积温度选自500～800℃，不同沉积温度下，钙钛矿薄膜的成分和晶型不同。可以通过改变沉积温度实现钙钛矿相从CsPb₂Br₅到CsPbBr₃的可控生长。该方法主要是通过控制沉积温度实现成膜组分的控制，且钙钛矿前驱体粉末为溴化铅和溴化铯分开放置，衬底和反应物均置于高温区，这样的设计不利于形成成分均匀的膜，且由于衬底温度高于钙钛矿材料熔点，会促使已沉积的材料的二次蒸发，从而不利于X射线探测所需的厚膜的制备。另一方面，由于衬底温度较高，该方法也无法与商用硅基集成电路基底相兼容，不适用于X射线平板成像应用。

发明内容