高性能钙钛矿闪烁体闪烁发光调控机理研究

Thanks to the heavy atoms, high mobility–lifetime product, long diffusion length properties of materials, organic-inorganic methylammonium lead halide perovskite materials have been demonstrated as one of the most promising materials for radiation detector applications. However, the perovskite radiation detector based on photoconductor is limited by the deliquescence, crystal growth technology, large leakage current, and low charge collection efficiency. To solve these problems, we will investigate th crystal growth mechanism and develop a new system to grow large perovskite crystals. We will study the dopant mechanism of Br and I, the interaction between the nuclear radiation and perovskite crystal, and the scintillation mechanism of single crystals. Finally, we will study the stability and surface smooth technology of perovskite crystals. Our initial results indicate that the single crystals with tunable emission wavelength between 425nm and 700nm, the fast and slow decay time is 0.21±0.2ns，0.47±0.2ns, respectively. After the CH3NH3PbCl3 single crystals irradiated by the Co60 source that with photon energy of 1.17MeV and 1.33MeV, the observed energy spectrum is characterized by two peaks with resolution of 4.27% and 4.44%, respectively. To conclude, based on our initial results, in this project, we propose to build a new perovskite crystals growth system and study the scintillation mechanism, and to obtain a novel high energy resolution scintillator with low-cost, high light yield, and short decay time.

钙钛矿材料由于其含有重金属元素以及高迁移率寿命、长扩散长度、低陷阱密度等优点，使得其在核辐射探测领域有着潜在巨大的价值，而成为核辐射探测领域内的极具战略和前沿的科学问题。然而基于钙钛矿晶体材料的半导体核辐射探测器存在着晶体易于潮解、晶体生长技术不足、器件漏电流较大、电荷收集效率低等问题。本项目将研究逆温结晶法晶体析出过程中的成核机制，突破生长晶体尺寸限制；研究钙钛矿晶体掺杂的机理，以及晶体与核辐射场的相互作用闪烁发光物理机理，通过掺杂调控晶体的辐射复合机理, 并进一步提升钙钛矿闪烁体的发光性能；同时研究该材料在室温大气条件下的稳定性和机械抛光性能。初步研究结果表明，钙钛矿晶体的发光范围在425-700nm之间，响应时间为亚纳秒且能量分辨率约4%。本项目旨在系统研究新型钙钛矿晶体生长技术以及掺杂调控闪烁发光机理，以期制备低成本、高光产额、短的衰减时间、高能量分辨率闪烁体探测器。

钙钛矿材料由于含有重金属元素以及高迁移率寿命、长扩散长度、低陷阱密度等优点，其在核辐射探测领域有着潜在巨大的价值，而成为核辐射探测领域内的极具战略和前沿的科学问题。然而基于钙钛矿晶体材料的半导体核辐射探测器存在着晶体易于潮解、晶体生长技术不足、器件漏电流较大、电荷收集效率低等问题。本项目将研究逆温结晶法晶体析出过程中的成核机制，突破生长晶体尺寸限制；研究钙钛矿晶体掺杂的机理，以及晶体与核辐射场的相互作用闪烁发光物理机理，通过掺杂调控晶体的辐射复合机理, 并进一步提升钙钛矿闪烁体的发光性能；同时研究该材料在室温空气条件下的稳定性和机械抛光性能。基于该项目的支持，我们得到了以下一些重要的研究结果：1. 溶液法生长出Br元素掺杂MAPbCl3晶体。纯MAPbCl3钙钛矿晶体，发光峰为432nm，对于 50 keV最低探测下限为114.7 nGy s−1。通过Br元素掺杂可以实现埭溪的调整，对于MAPbBr0.05Cl2.95 晶体衰减时间为0.14±0.02ns，光产额为18000Photons/MeV ，能谱分辨率为 10.5±0.4% （662keV）。 2. 生长出CsPbBr3/Cs4PbBr6 纳米晶闪烁体，该材料表现出优异的闪烁特性：快衰减时间小于10ns，能量分辨率3.0±0.1% （59.6keV)，光产额达到64000 photons/MeV，具备良好的室温稳定性。3. 生长出高质量的Cs4PbBr6单晶材料，该晶体材料表现出优异的闪烁特性，对于X射线具备良好的闪烁特性，最低探测下限为64.4 nGyair/s，衰减时间为1.46 ns。 4. 鉴于钙钛矿材料的材料特性，设计出基于传统抛光工艺的新型钙钛矿晶体材料的抛光工艺，通过机械-化学抛光方法制备的晶体表面粗糙度约0.5nm, 表面缺陷大幅下降，表面和体晶体材料的暗电流分别为0.05nA/mm2 和0.07nA/mm2。5. 基于钙钛矿量子点材料优异的闪烁特性，研究CsPbBr3纳米晶与PBMA 固化制备新型塑料闪烁体材料，当0.02 wt % CsPbBr3纳米晶掺入后，透射率达到70%， 发光波长在515nm, 快衰减时间为13ns, 光致发光衰减效率为99.2%。本项目旨在系统研究新型钙钛矿晶体生长技术以及掺杂调控闪烁发光机理，以期制备低成本、高光产额、短的衰减时间、高能量分辨率闪烁体探测器。