近日，西南交通大学前沿科学研究院游世海副研究员与中国科学院福建物质结构研究所罗军华研究员等在基于金属卤化物钙钛矿的超稳定直接X射线探测器件方面取得了重要进展，相关结果以“Multiple Interlayer Interactions Enable Highly Stable X-ray Detection in 2D Hybrid Perovskites”为题发表在美国化学会核心期刊JACS Au（IF = 8.0）上。游世海副研究员和罗军华研究员为论文共同通讯作者。

金属卤化物钙钛矿因其优异的光电性能、强X射线吸收和可溶液制备等优点，已经发展成为最具潜力的新兴X射线探测材料之一，其器件灵敏度和探测极限都远优于传统的X射线探测半导体材料（如α-Se等）。然而，三维（3D）金属卤化物钙钛矿X射线探测器件在大的工作电压下离子迁移严重，导致基线漂移（约10-3 nA cm-1 s-1 V-1），仍然制约着器件的工作稳定性和综合性能提升。因此，有效抑制金属卤化物钙钛矿的离子迁移，是实现高性能、稳定X射线探测与成像器件的关键之一。

本文基于二维（2D）Ruddlesden-Popper型钙钛矿结构，在层间有机配体苯乙胺（PEA）上引入卤素原子（Br），构筑了一例含有卤代层间配体（Br-PEA）的2D铅碘杂化钙钛矿材料(Br-PEA)2PbI4。Br原子不仅能与相邻的苯环形成强的分子静电作用力，还能与骨架上的I形成卤-卤相互作用，从而大大提高离子迁移激活能，有效抑制离子迁移，实现超稳定的X射线探测。在80 V的大外加偏压下，(Br-PEA)2PbI4单晶器件的灵敏度可达到1,003 μC Gy-1 cm-2，探测极限为366 nGy s-1，基线漂移仅为3.48×10-8 nA cm-1 s-1 V-1，比3D钙钛矿X射线探测器件的基线漂移低了5个数量级。而且，在长时间（＞10,000 s）、大剂量X射线持续辐照下，探测器件仍能保持出色的响应性能和工作稳定性（图1）。该工作利用2D钙钛矿的多重层间分子作用力稳定X射线探测器件，为钙钛矿光电器件的实际应用提供了新的借鉴。

图1. 含卤代层间配体的2D铅碘钙钛矿(Br-PEA)₂PbI₄的X射线探测性能。

此前，游世海副研究员还首次报道了极性金属卤化物钙钛矿(4-AMP)BiI₅（4-AMP是4-氨甲基哌啶，Cc空间群）对离子辐射响应的反常光伏效应。在X射线辐照下，(4-AMP)BiI₅单晶沿c轴（极轴）方向的开路电压（V_oc）达到了约10 V，远远超过了其光学带隙（V_oc＞5E_g），如图2所示。进一步，利用反常光伏效应形成的内建电场驱动光生载流子的自发分离、输运和提取，在Ag/(4-AMP)BiI₅/Ag单晶器件中实现灵敏的自供能X射线探测，灵敏度为66.84 μC Gy^-1 cm^-2，探测极限为482 nGy s^-1；而且表现出了非常优异的工作稳定性。相关结果以“Ionizing Radiation Responsive Anomalous Photovoltage Drives Sensitive Self-Powered X-Ray Detection”为题发表在国际知名学术期刊Advanced Functional Materials（JCR Q1，中科院一区top，IF = 19.0）上；游世海副研究员为论文第一作者，中科院福建物质结构研究所罗军华研究员为通讯作者。

图2. (4-AMP)BiI₅钙钛矿中的反常体光伏效应及其自供能X射线探测。

原文信息：

[1] H. Zhong, S. You*, J. Wu, Z.-K. Zhu, P. Yu, H. Li, Z.-Y. Wu, Y. Li, Q. Guan, H. Dai, C. Qu, J. Wang, S. Chen, C. Ji, J. Luo*. Multiple interlayer interactions enable highly stable X-ray detection in 2D hybrid perovskites. JACS Au 2024, Article ASAP. (https://doi.org/10.1021/jacsau.4c00345)

[2] S. You, P. Yu, T. Zhu, C. Lin, J. Wu, Z.-K. Zhu, C. Zhang, Z. Li, C. Ji, J. Luo.* Ionizing radiation responsive anomalous photovoltage drives sensitive self-powered X-ray detection. Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2310916. (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202310916)