BA2MA3Pb4I13相纯度调控及其对X射线探测的影响

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0018

人工晶体学报 ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (7): 1256-1264.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0018

BA₂MA₃Pb₄I₁₃相纯度调控及其对X射线探测的影响

张爱平¹^,²(), 魏亚洲², 周昌垚², 袁瑞涵²^,³, 吴聪聪¹(), 郑霄家²^,³()

^1.湖北大学新能源与电气工程学院，武汉 430062
^2.中国工程物理研究院化工材料研究所，绵阳 621900
^3.四川新材料研究中心，成都 610200

收稿日期:2025-01-23 出版日期:2025-07-20 发布日期:2025-07-30
通信作者: 吴聪聪，博士，教授。E-mail：ccwu@hubu.edu.cn;郑霄家，博士，研究员。E-mail：xiaojia@caep.cn
作者简介:张爱平（1998—），男，湖北省人，硕士研究生。E-mail：zhangaiping@stu.hubu.edu.cn
吴聪聪，湖北大学材料科学与工程学院教授，湖北省“百人计划”创新人才。2007年、2014年分别获得华中科技大学材料科学与工程学士、博士学位。2014—2018年在美国弗吉尼亚理工大学能源收集材料研究中心（CEHMS）任博士后和研究助理。2018—2019年在美国宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程学院担任研究副教授、能源与环境研究中心光伏实验室负责人。主要从事新型光伏材料和器件、二维有机-无机复合材料、柔性电子器件、仿生材料与器件等方面研究。在Science Advances、Nano Letter、Joule、ACS Energy Lett等国际知名期刊上发表论文50余篇，主持编纂英文专著Energy Harvesting： Materials， Physics， and System Design with Practical Examples 1部。
郑霄家，研究员、博士生导师，四川省高层次人才计划青年拔尖人才，四川省科技创新人才，四川省海外高层次留学人才，中国工程物理研究院化工材料研究所新材料中心军民两用材料与器件课题组负责人，上海交通大学、电子科技大学、四川大学、北京工业大学等高校兼职研究生导师。在Light Sci Appl、Device、Adv Mater等刊物上发表SCI论文60余篇，申请发明专利6项。曾荣获欧美同学会创新创业大赛先进材料产业赛区一等奖&全国三等奖、首届中国材料技术与应用大会优秀组织奖、J Energy Chem期刊最佳审稿人等荣誉。
基金资助:
四川省科技创新人才(2022JDRC0021)

Phase Purity Regulation of BA₂MA₃Pb₄I₁₃ and Its Influence on X-Ray Detection

ZHANG Aiping¹^,²(), WEI Yazhou², ZHOU Changyao², YUAN Ruihan²^,³, WU Congcong¹(), ZHENG Xiaojia²^,³()

^1.School of New Energy and Electrical Engineering，Hubei University，Wuhan 430062，China
^2.Institute of Chemical Materials，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China
^3.Sichuan New Materials Research Center，Chengdu 610200，China

Received:2025-01-23 Online:2025-07-20 Published:2025-07-30

摘要/Abstract

摘要： 二维Ruddlesden-Popper（RP）层状钙钛矿因优异的光电性能和良好的环境稳定性，近年来已成为太阳能电池、发光二极管及X射线探测等领域的研究热点。然而，采用溶液法制备的二维RP型层状钙钛矿通常并非单一无机层数的纯相钙钛矿，而是呈现出具有随机无机层数（即多个n值）的混合相，这一特性显著影响了该材料在各个领域的进一步应用与发展。本研究通过使用BAAc替代BAI来调控二维RP层状钙钛矿的结晶过程，实现了有效的相纯化，证实了该方法在提升材料相纯度方面的效果。相纯化后的钙钛矿材料展现了更加均匀的相分布，减少了缺陷的形成，进而显著改善了载流子的提取与传输能力，抑制了离子迁移。这些结构上的改善直接推动了X射线探测器性能的提升。相纯化的探测器表现出比未纯化器件更低的检测下限（160.24 nGy_air·s^-1），在低剂量X射线探测方面展现了更强的能力。此外，经过长时间的X射线辐照后，相纯化器件的信号电流衰减幅度远小于未纯化器件，表明其具有更好的辐照稳定性。因此，相纯化不仅有效提升了二维钙钛矿X射线探测器的探测性能，还增强了器件的稳定性，证明了相纯化技术在钙钛矿X射线探测器中的广泛应用前景。

关键词: 调控结晶; 二维钙钛矿; BAAc; 相纯化; 抑制离子迁移; X射线探测器

Abstract: Two-dimensional Ruddlesden-Popper （RP） layered perovskites have received lots of attention in recent years due to their excellent optoelectronic properties and good environmental stability. Their unique properties make them ideal candidates for applications in solar cells， light-emitting diodes， and X-ray detectors. However， two-dimensional RP-type layered perovskites synthesized by solution methods typically exhibit mixed phases with random inorganic layer numbers （i.e.， multiple n-values）， which hinders their application. In this study， the crystallization process of RP layered perovskites was regulated by replacing BAI with BAAc to achieve effective phase purification. The enhancement in phase purity was confirmed by characterization methods， and the phase-purified perovskite material exhibits reduced defects. Consequently， significantly improved carrier extraction and transport capabilities， along with suppressed ion migration were achieved. These structural improvements directly enhanced the performance of the X-ray detectors. The phase-purified detectors exhibit lower detection limits （160.24 nGy_air·s^-1） compared to the unpurified devices， demonstrating stronger capability in low-dose X-ray detection. Additionally， the phase-purified device shows good irradiation stability. Therefore， phase purification not only effectively improved the detection performance of two-dimensional perovskite X-ray detectors but also enhanced device stability， proving the broad application prospects of phase-purification technology in perovskite X-ray detectors.

Key words: regulated crystallization; two-dimensional perovskite; BAAc; phase purification; inhibition of ion migration; X-ray detector

中图分类号:

TL816

张爱平, 魏亚洲, 周昌垚, 袁瑞涵, 吴聪聪, 郑霄家. BA₂MA₃Pb₄I₁₃相纯度调控及其对X射线探测的影响[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(7): 1256-1264.

ZHANG Aiping, WEI Yazhou, ZHOU Changyao, YUAN Ruihan, WU Congcong, ZHENG Xiaojia. Phase Purity Regulation of BA₂MA₃Pb₄I₁₃ and Its Influence on X-Ray Detection[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(7): 1256-1264.

图/表 5

图1 BA2MA3Pb4I13钙钛矿示意图

Fig.1 Schematic diagram of BA2MA3Pb4I13 perovskite

图2 相纯化前、后的BA2MA3Pb4I13钙钛矿XRD图谱

Fig.2 XRD patterns of BA2MA3Pb4I13 perovskite before and after phase purification

图3 （a）相纯化和未纯化BA2MA3Pb4I13钙钛矿的紫外-可见吸收光谱；（b）Tauc方程计算的光学带隙相纯化和未纯化BA2MA3Pb4I13钙钛矿尼龙膜；相纯化和未纯化BA2MA3Pb4I13钙钛矿的PL（c）与TRPL（d）结果

Fig.3 （a） UV-Vis absorption spectra of phase purified and unpurified BA2MA3Pb4I13 perovskites；（b） optical bandgap phase calculated by Tauc equation for purified and unpurified BA2MA3Pb4I13 perovskite nylon films； PL （c） and TRPL （d） results for phase purified and unpurified BA2MA3Pb4I13 perovskites

图4 （a）相纯化器件与未纯化钙钛矿的电阻率测试；未纯化（b）和纯相化（c）材料的偏压依赖的光电流及对应的μτ乘积；（d）相纯化材料在不同电场下的空穴与电子的迁移率；未纯化（e）与相纯化（f）材料的ln（σT）-1 000/T曲线

Fig.4 （a） Resistivity test of phase purified device and unpurified perovskite； bias-dependent photocurrents of unpurified （b） and pure phased （c） materials and corresponding μτ products；（d） mobility of holes and electrons in the phase purified material under different electric fields； ln（σT）-1 000/T curve of （e） phase purified device and （f） unpurified perovskite

图5 （a）210 V偏压下相纯化和未纯化的BA2MA3Pb4I13-LP探测器对X射线的响应；（b）在210 V偏压下的X射线剂量依赖的信噪比（SNR）；未纯化器件（c）和相纯化器件（d）的X射线辐照稳定性

Fig.5 （a） Response of phase purified and unpurified BA2MA3Pb4I13-LP detectors to X-rays at 210 V bias；（b） dose-dependent signal-to-noise ratio （SNR） of X-rays at 210 V bias； X-ray irradiation stability of unpurified devices （c） and phase purified devices （d）

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BA₂MA₃Pb₄I₁₃相纯度调控及其对X射线探测的影响

Phase Purity Regulation of BA₂MA₃Pb₄I₁₃ and Its Influence on X-Ray Detection

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