NC：用于高能量分辨率伽马射线谱仪的 2.2 厘米厚虚拟弗里希网格钙钛矿 CsPbBr3 半导体
大家好，今天给大家分享的是Nature Communications上的文章“Virtual Frisch grid perovskite CsPbBr3 semiconductor with 2.2-centimeter thickness for high energy resolution gamma-ray spectrometer”
【摘要】
高本征检测效率与高能量分辨率同样具有决定性作用。扩大探测器体积带来了巨大挑战，阻碍了钙钛矿半导体达到足够的检测效率。我们报告了一种厚度达 2.2 厘米的纯空穴虚拟弗里施网格 CsPbBr3 探测器，可用于高效的伽马射线光谱。通过利用高达 ~1 cm3 的高质量柱状 CsPbBr3 单晶，我们配置了具有优化加权电位分布的虚拟弗里施网格探测器。这些厘米厚的探测器优于双极平面配置，在 662 keV 下实现了 1.9% 的最佳能量分辨率。由单个伽马射线光子激发的飞行时间分析揭示了空穴载流子倍增效应，可能是由俄歇复合和空间电荷积累效应引起的，共同驱动了异常稳定过程。数字脉冲测量降低了弹道赤字，从而将 2.2 厘米厚探测器的光谱响应提高到 662 keV 下的 2.2%。虚拟弗里施网格探测器的低成本设备制造和足够的检测效率必将促进大体积钙钛矿探测器的发展。
图 1| VFG CsPbBr3 探测器的物理设计和制造。
图 2| VFG CsPbBr3 探测器的模拟和信号分析。
图 3| VFG CsPbBr3 探测器的时间响应。
图 4| 二维深度传感和同步脉冲形状分析。
【结论】
综上所述，我们介绍了一种用于钙钛矿 CsPbBr3 探测器的 VFG 探测器配置，实现了高本征探测效率和高达 1 cm3 的伽马射线探测有效体积。制备的 VFG 探测器的有效厚度范围从 10 mm 到 22 mm 以上，最佳 ER 在 662 keV 时为 1.9%。通过结合深度相互作用鉴别，10.2 mm 厚探测器的 ER 提高到 1.5%，22.1 mm 厚探测器的 ER 提高到 2.2%。空穴迁移率-寿命积经评估为 10−2 cm2 V−1 以上。通过单个伽马射线光子激发的飞行时间技术系统地研究电荷传输动力学，揭示了电荷积累效应和与空穴载流子倍增相关的增益效应，这可能是通过缺陷辅助俄歇复合。这两种效应导致能量分辨伽马射线光谱出现异常动态变化。值得注意的是，这两种机制都已在所有 VFG 探测器中得到验证，并且在光谱级 CsPbBr3 探测器中也可重现观察到增益效应，增益因子范围从 1 到 ~1.5。值得注意的是，这些影响可以通过偏置稳定过程来减轻。
此外，将开发的单个 VFG 探测器组装成阵列可以实现大容量和高性能探测器系统的实际应用，可能与当前的辐射探测系统相媲美。这些结果有望加速低成本钙钛矿探测器在核安全和核医学成像等应用中的部署，在这些应用中，高 ER 和高检测效率都至关重要。
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原文DOI： https:/doi.org/10.1038/s41467-024-55561-8
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