2D/3D钙钛矿单晶与TFT背板低噪声电流的集成策略与X射线成像应用

▲ 共同第一作者： 廖泽兵、仇丽雯

共同通讯作者： 周航、Abhishek Kumar Srivastav

通讯单位： 北京大学信息工程学院、香港科技大学电子及计算机工程学系

论文DOI：10.1002/admt.202300714

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全文速览

尽管高灵敏度钙钛矿X射线探测器发展迅速，但其实际应用仍然受到其高暗电流水平以及缺乏将钙钛矿光电探测器与读出电路组装的有效方法的阻碍。这项工作为实现钙钛矿与TFT的集成提供了一条可行的途径，在有效抑制暗电流、提高响应速度的同时不牺牲器件的高灵敏度。

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背景介绍

三维单晶金属卤化物钙钛矿（3DMHPSC，例如甲胺铅溴（MAPbBr3）、甲胺铅溴（MAPbI3）、铯铅溴（CsPbBr3）等）由于具有大的X射线衰减系数、高载流子迁移率和易于合成的特性，被认为是直接X射线探测器的潜在候选材料。尽管高灵敏度钙钛矿单晶探测器发展迅速，但其实际应用仍然受到高暗电流水平以及缺乏在薄膜晶体管（TFT）背板上组装钙钛矿光电探测器的有效方法的阻碍。在光电导型平板X射线探测器中，暗电流作为主要噪声源，决定了探测器X射线响应的探测极限和动态范围。因此，一种简单可行的方法，能够有效抑制暗电流，同时保持高灵敏度，对于实现高性能单晶钙钛矿X射线探测器至关重要。与三维（3D）钙钛矿相比，被长链有机阳离子分离八面体晶格的二维（2D）钙钛矿的不具备理想的电荷传输能力，但是可以有效抑制离子迁移，降低暗电流且兼具更好的稳定性。将二维三维钙钛矿的优势相结合，同时实现与TFT 背板的集成是钙钛矿单晶 X 射线成像应用中的关键一步。

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本文亮点

A.通过2D层钝化钙钛矿单晶表面，实现低暗电流、高稳定、高灵敏X射线探测器。

B. 通过2D层湿融生长将钙钛矿单晶与TFT背板集成，插入的2D层不仅钝化 3D MHP 的表面, 还充当粘合层实现探测器与读出电路背板的倒装集成，实现成像应用。

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图文解析

图1一步湿融法集成钙钛矿单晶与TFT背板

图1详细说明了一步湿融法集成钙钛矿单晶与TFT背板的过程。光学显微镜图和SEM图清晰地展现了该方法生长的2D钙钛矿层在3D钙钛矿上均匀生长并紧密贴合，厚度约为2mm。XRD和吸收能谱体现2D/3D钙钛矿（2D/3DMHP）中存在2D、3D晶体且具有优异的晶体质量。

图2 相比3DMHP器件，2D/3D MHP探测器具有更低暗电流、更快速响应和更可靠稳定性

图2展示了在 2D/3D MHP 和3D MHP 的表面上分别蒸镀叉指电极的探测器性能比较。形成的2D/3D/2D结构，阻挡了电子的传输却利于空穴的提取。由此，2D/3D MHP 探测器的暗电流（3 nA）比 3DMHP器件低20倍，同时兼具更快速响应（响应时间低至197ms）和更稳定的脉冲序列响应。

图3 2D/3D MHPX射线探测器的灵敏度、信噪比（SNR）和最低探测限

图3展示了2D/3D MHP器件的脉冲序列响应、灵敏度、信噪比（SNR）和最低探测限。2D/3DMHPX射线探测器在灵敏度和暗电流指标方面取得了良好的平衡。在0.5 V/mm的低电场下，所制备的2D/3D异质结构钙钛矿探测器表现出~0.26 nA cm-2的低暗电流密度，与商用a-Se探测器（0.1 nA cm-2）相当，噪声电流密度低至0.794pA/mm2。2D/3D钙钛矿探测器在低电场下也实现了324 μGyair -1 cm-2的高灵敏度和10.1 nGyairS-1的低检测限。

图4 2D/3D MHPX射线探测器的像素化集成和成像应用

图4展示了通过形成2D/3DMHP的湿融法实现厚钙钛矿晶体与TFT背板集成并应用于成像的结构。这个过程是将过饱和PEA2PbBr4溶液滴在TFT背板上，然后将一块高质量 3D MHPSC压在该湿样品上，并施加压力在 80°C下退火 8 小时。键合后的MHPSC不易脱落，在干燥箱中保存几个月也安然无恙。最后使用带“U”型的卡片作为遮挡，结果显示了遮挡物的可辨别形状。

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总结与展望

3D MHP 通过湿融法成功与 TFT 阵列面板绑定。插入的2D PEA2PbBr4层不仅充当粘合层，而且还钝化 3D MHP 的表面。因此，得到的2D/3D异质结构有助于减少钙钛矿探测器的暗电流，从而在单个器件中实现具有竞争力的灵敏度和低暗电流。此外，2D/3D 探测器可以在低电场下工作，这有助于简化读出电路的设计。这项工作中讨论的湿融方法为实现下一代直接 X 射线钙钛矿图像传感器提供了一条简便的途径。最后，我们还须指出，探测器阵列成像中出现的串扰现象，这可能归因于多种因素，例如二维钙钛矿的各向同性输运、由于器件结构、像素间距以及单晶质量的均匀性。将在未来进一步研究以避免此问题。

转自：“研之成理”微信公众号

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