英文原题：Structural Reconfiguration via Alternating Cation Intercalation of Chiral Hybrid Perovskites for Efficient Self-driven X-ray Detection
通讯作者：朱增奎（江西师范大学）；罗军华（江西师范大学，中国科学院福建物质结构研究所）
作者： Guirong Chen（陈桂荣），Zeng-Kui Zhu*（朱增奎），Jianbo Wu（吴建博），Panpan Yu（余盼盼），Ying Zeng（曾莹），Hongliang Dai（戴虹亮），Huawei Yang（杨华韦），Wenhui Wu（邬文慧），Yueying Wang（王约英）and Junhua Luo*（罗军华）
背景介绍
X射线是一种短波长（0.01~10 nm）、高能量、强穿透力的电磁波，可穿过对可见光不透明的物质，获得物体的内部信息，从而实现X射线的成像。X射线在诸多领域都具有十分重要的应用，包括医学诊断、安全检查、工业无损检测、食品检测、科学研究等。有机-无机杂化钙钛矿作为一种新型半导体材料在光电探测领域表现出巨大的潜力。因其优异的结构特性、出色的光电转换性能、强的X射线吸收能力、制备工艺简单等特点，在X射线探测领域已经取得了很大进展。然而，大多数基于有机-无机杂化钙钛矿材料的X射线探测器需要外部电压来驱动载流子传输和分离，导致能耗和操作不稳定（严重的离子迁移），这将阻碍其广泛应用。因此，能够在没有外部偏压的情况下运行的自驱动装置的开发引起了X射线探测领域的广泛关注。
文章亮点
近日，江西师范大学罗军华教授、朱增奎副教授团队在ACS Applied Materials Interfaces期刊上发表了一篇关于通过手性杂化钙钛矿的交替阳离子插层进行结构重构，以实现高效的自驱动X射线检测的研究。研究利用半取代层间阳离子的策略进行结构重构，获得了具有优势构型的极性结构，实现了无需外加电场的X射线探测性能。本文基于两例不同的手性钙钛矿材料，通过以Ruddlesden-Popper （RP）型钙钛矿(R-MPA)2PbBr4（R-1，R-MPA=甲基苯乙基铵）为母体结构，将短链有机胺阳离子EA插入到有机层内，半取代大体积的芳香胺阳离子得到具有交替阳离子插层（ACI）型钙钛矿(R-MPA)EAPbBr4（R-2），其具有更窄的层间距、更平整的无机骨架、更大的结构密度。更重要的是，两者结构从非极性P212121转变为极性P21结构，在X射线辐射下，极性结构(R-MPA)EAPbBr4的自发极化效应诱导产生体光伏效应。理论分析和实验结果表明，相比较于(R-MPA)2PbBr4，基于(R-MPA)EAPbBr4的单晶器件表现出更加优异的探测性能，且其显示出自驱动的X射线检测能力，在无外加电场下具有较高的灵敏度（40.2 μC Gy-1 cm-2）和显著较低的检测限（82.5 nGy s-1）。
图1. 沿a轴观察（a）R-1和（b）R-2的晶体结构。（c）R-1、（d）R-2的Pb-Br-Pb角。
图1展示了(R-MPA)2PbBr4和(R-MPA)EAPbBr4两者的钙钛矿结构，以及这种半取代方式所导致的层间距减小以及Pb-Br-Pb角的增加，说明(R-MPA)EAPbBr4的结构是更加有利于载流子传输。
图2.（a）R-1、R-2、α-Se和Si的吸收系数与5至120keV光子能量的函数关系。（b）R-1和R-2 SC探测器的偏置电流响应和导出的mt产物。（c）在10V偏压下，R-1和R-2 SC探测器的剂量率和光电流密度之间存在线性关系。（d）R-1和R-2在不同偏压下的灵敏度比较。（e）R-1和R-2设备在10V偏压下的X射线剂量率相关信噪比。LoD在信噪比为3时确定。（f）R-1和R-2设备的X射线探测性能雷达图。
图2展示了R-1和R-2的X射线探测性能。R-2具有更强的X射线吸收能力，更优异的载流子传输性能，因此表现了更优异的X射线探测性能，在80V偏压下其灵敏度可达1864.6 μC Gy-1 cm-2，其灵敏度也显著低于R-1器件。
图3.（a）基于R-2 SC的自驱动探测器示意图。（b）R-2 SC探测器在无光和X射线照射下的电流-电压曲线。（c） 在0V偏压下不同剂量率X射线照射下R-2探测器的光电流密度。（d） 在0V偏压下R-2SC探测器的剂量率和光电流密度之间的线性关系。（e）R-2设备在0V偏压下的X射线剂量率相关信噪比。（f）R-2器件在0V偏压下连续X射线照射的光电流稳定性。
图3. 展示了R-2的自驱动X射线探测性能。在X射线辐照下观察到0.4V的体光伏，基于这个辐照光伏实现了无需外加偏压的X射线探测性能，并表现出40.2 μC Gy-1 cm-2的灵敏度和低至82.5nGy s-1的检测限。
总结/展望
这项工作通过理论分析和实验研究的结合证明，通过ACI结构改造策略，从RP到ACI类型的结构转变可以提高X射线探测器的性能并获得自驱动探测能力。正如预期的那样，ACI型（R-MPA）EAPbBr4（R-2）探测器具有更高的灵敏度。同时，R-2的自发电极化诱导了体光伏效应的产生，R-2探测器成功实现了基于体光伏效应的自驱动X射线探测，在没有外部偏压的情况下，灵敏度为40.2 μC Gy-1 cm-2，检测限为82.5 nGy s-1。这项工作首次揭示了从RP到ACI相的结构改性对X射线性能的影响，这将为未来的材料设计和器件性能优化提供指导。
相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，江西师范大学硕士研究生陈桂荣为文章的第一作者（现为福州大学在读博士生），江西师范大学化学与材料学院的朱增奎副教授和罗军华教授为本文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、福建省自然科学基金、江西省自然科学基金和江西省教育厅科学技术研究基金的资助。
通讯作者简介
朱增奎 副教授
朱增奎 副教授：江西师范大学化学与材料学院，副教授，硕士生导师。2020年获得福州大学博士学位，2021年11月至2024年5月在中国科学院福建物质结构研究所从事博士后研究，2024年05月至今任江西师范大学化学与材料学院校聘副教授，主要从事卤化物钙钛矿材料的铁电、光电研究及铌氧团簇材料的设计合成与性能研究等。以第一作者或通讯作者（含共同）Angew. Chem. Int. Ed.（4篇）、Adv. Funct. Mater.（2篇）、Adv. Sci.、Small（2篇）、Chin. Chem. Lett. （2篇） 等国际知名学术期刊发表学术论文15篇，申请中国发明专利2件，获得中国发明专利授权1件。作为负责人主持科研项目四项，包括国家自然科学基金青年项目一项，福建省自然科学基金青年项目一项，中国博士后科学基金特别资助(站中)和面上项目各一项。
罗军华 教授
罗军华 教授（研究员）：江西师范大学化学与材料学院教授（中国科学院福建物质结构研究所 研究员），博士生导师，国家杰出青年基金获得者，国家万人计划创新领军人才。担任《中国化学快报》和《结构化学》副主编；先后荣获第二十二届运盛青年科技奖，第十三届福建青年科技奖和第二届福州青年科技奖。主要从事稀土光电晶体材料、非线性光学晶体材料，铁电材料，杂化铁电半导体光电晶体材料的研究工作，在JACS、Angew、AM、Nat. Commn.等专业杂志上发表280多篇研究论文，授权发明专利30多件；先后主持中科院百人计划，国家自然科学基金委杰出青年基金、重点项目、优秀青年基金，面上项目，福建省百人计划和福建省科技计划重点项目等研究项目。
扫描二维码阅读英文原文
ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 49, 67970–67978
https://doi.org/10.1021/acsami.4c14963
Published December 2, 2024
Copyright © 2024 American Chemical Society
Editor-in-Chief
Xing Yi Ling
Nanyang Technological University
Deputy Editor
Peter Müller-Buschbaum
Technische Universität München
ACS Applied Materials & Interfaces为化学家、工程师、物理学家和生物学家等的跨学科领域提供服务，重点探索如何具体应用开发新材料和研究界面过程
2-Year Impact Factor
CiteScore
Time to First Peer Review Decision
8.5
16
33.6
