添加剂辅助生长CsPbBr3单晶及其γ射线探测性能

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0021

人工晶体学报 ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (7): 1238-1244.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0021

添加剂辅助生长CsPbBr₃单晶及其γ射线探测性能

陈燃¹^,²(), 赵啸¹^,², 孟钢¹, GNATYUK Volodymyr³^,⁴, 倪友保¹, 王时茂¹()

^1.中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，合肥 230031
^2.中国科学技术大学，合肥 230026
^3.乌克兰国家科学院半导体物理研究所，基辅 03028
^4.阿德瓦法布股份有限公司，赫尔辛基 00180

收稿日期:2025-02-05 出版日期:2025-07-20 发布日期:2025-07-30
通信作者: 王时茂，博士，副研究员。E-mail：shmwang@aiofm.ac.cn
作者简介:陈燃（2000—），男，安徽省人，硕士研究生。E-mail：chenran_0000@mail.ustc.edu.cn
王时茂，博士，副研究员，硕士研究生导师。2014年毕业于中国科学院大学，获理学博士学位，2016年在中国科学院合肥物质科学研究院博士后出站后留院工作，2017年任副研究员。主要从事于半导体光电/射线探测材料与器件、激光与物质相互作用等方面的研究工作，近年发表学术论文40余篇，先后主持承担了国家自然科学基金3项，中国博士后科学基金1项。
基金资助:
国家自然科学基金(62075223);核探测与核电子学国家重点实验室开放课题(SKLPDE-KF-202410)

Additive-Assisted Growth of CsPbBr₃ Single Crystals and Its γ-Ray Detection Performance

CHEN Ran¹^,²(), ZHAO Xiao¹^,², MENG Gang¹, GNATYUK Volodymyr³^,⁴, NI Youbao¹, WANG Shimao¹()

^1.Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics，Hefei Institutes of Physical Science，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China
^2.University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China
^3.V E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine，Kyiv 03028，Ukraine
^4.Advafab Oy，Helsinki 00180，Finland

Received:2025-02-05 Online:2025-07-20 Published:2025-07-30

摘要/Abstract

摘要： CsPbBr₃单晶具有高原子序数、高载流子迁移率寿命积、高电阻率和对X/γ射线的阻挡能力强等优点，是一种极具应用前景的半导体辐射探测材料。CsPbBr₃单晶可以通过溶液法低成本生长，但溶液法生长CsPbBr₃单晶具有择优取向，获得的晶体多呈棒状，不利于器件制备，且晶体生长速度较快，单晶内容易出现孪晶等缺陷。本文在逆温度结晶法生长CsPbBr₃单晶过程中引入十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）作为添加剂调控单晶的生长速率（主要减缓［002］晶向的生长速度，抑制单晶的择优取向），提升单晶质量。晶体的摇摆曲线半峰全宽为0.08°，电阻率达到了8.14 × 10⁹ Ω·cm，载流子迁移率寿命积为6.44×10^-3 cm²·V^-1，缺陷态密度为2.07×10¹⁰ cm^-3，展现出良好的晶体质量和电学性质。基于获得的CsPbBr₃晶体制备的γ射线探测器实现了对²⁴¹Am 59.5 keV γ射线光子10.25%的能谱分辨率。这些结果展示了添加剂辅助生长的高质量CsPbBr₃单晶在辐射探测应用中的潜力。

关键词: CsPbBr₃单晶; 逆温度结晶法; 添加剂; 空间位阻效应; γ射线探测器

Abstract: CsPbBr₃ single crystals （SCs） exhibit exceptional properties such as high atomic number， large carrier mobility-lifetime product， high resistivity， and excellent X/γ-ray absorption， making them promising materials for semiconductor radiation detectors. While solution-based methods enable cost-effective growth of CsPbBr₃ SCs， the resulting crystals often show a preferred orientation， rod-like shape and fast growth rates that lead to defects such as twinning， which hinder device fabrication. In this study， cetyltrimethylammonium bromide （CTAB） was introduced as an additive during inverse temperature crystallization to enhance crystal growth （it primarily decelerates the growth rate along the ［002］ direction， thus suppressing the preferential orientation of CsPbBr₃SCs） and quality. The obtained CsPbBr₃ single crystal exhibits rocking curve full width at half maximum （FWHM） of 0.08°， a high resistivity of 8.14×10⁹ Ω·cm， an enhanced carrier mobility-lifetime product of 6.44×10^-3 cm²·V^-1， and a low trap density of 2.07×10¹⁰ cm^-3， indicating its high crystalline quality and electrical properties. Additionally， a γ-ray detector fabricated from the CsPbBr₃ SC achieved high performance， with an energy resolution of 10.25% for 59.5 keV γ-photons from a ²⁴¹Am isotope. These results highlight the potential of additive-assisted growth for producing high-quality CsPbBr₃ SCs for advanced radiation detection applications.

Key words: CsPbBr₃ single crystal; inverse temperature crystallization method; additive; steric hindrance effect; γ-ray detector

中图分类号:

陈燃, 赵啸, 孟钢, GNATYUK Volodymyr, 倪友保, 王时茂. 添加剂辅助生长CsPbBr₃单晶及其γ射线探测性能[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(7): 1238-1244.

CHEN Ran, ZHAO Xiao, MENG Gang, GNATYUK Volodymyr, NI Youbao, WANG Shimao. Additive-Assisted Growth of CsPbBr₃ Single Crystals and Its γ-Ray Detection Performance[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(7): 1238-1244.

图/表 6

图1 逆温度结晶法生长的CsPbBr3单晶照片

Fig.1 Photos of CsPbBr3 single crystals grown by ITC method

图2 不同添加剂辅助逆温度结晶法生长的CsPbBr3单晶的XRD图谱和摇摆曲线

Fig.2 XRD patterns and rocking curves of CsPbBr3 single crystals grown by different additives assisted ITC method

图3 不同添加剂辅助逆温度结晶法生长的CsPbBr3单晶的时间分辨光致发光谱

Fig.3 Time resolved photoluminescence spectra of CsPbBr3 single crystals grown by different additives assisted ITC method

图4 不同添加剂辅助逆温度结晶法生长的CsPbBr3单晶的电学性能表征

Fig.4 Characterization of electrical properties of CsPbBr3 single crystals grown by different additives assisted ITC method

图5 不同添加剂辅助逆温度结晶法生长的CsPbBr3单晶基γ射线探测器采集到的241Am的能谱

Fig.5 Energy spectra of 241Am collected from CsPbBr3 single crystals based γ-ray detectors grown by different additives assisted ITC method

表1 文献报道的CsPbBr3单晶性能参数

Table 1 Parameters of CsPbBr3 single crystals reported in the literature

Growth method	ρ/（Ω·cm）	μτ/（cm²·V^-1）	Photo-generated carrier lifetime/ns	Energy resolution	Reference
ITC （CB）	—	1.8 ×10^-3	—	5.5%@662 keV ¹³⁷Cs	［7］
Vertical Bridgman method	>10⁹	8×10^-3	296 000	1.4%@662 keV ¹³⁷Cs 5.5%@59.5 keV ²⁴¹Am	［14］
Atmosphere-controlled edge-defined film-fed growth	1.61×10¹⁰	8.11×10^-4	—	—	［15］
Antisolvent diffusion assisted crystallization	6.37×10⁹	2.81×10^-4	—	13.5%@59.5 keV ²⁴¹Am	［21］
Solution method	—	4×10^-4	—	28.3%@59.5 keV ²⁴¹Am	［22］
ITC （CB）	2.21×10⁹	2.32×10^-3	27.15/6.12	17.45%@59.5 keV ²⁴¹Am	This work
ITC （CTAB）	8.14×10⁹	6.44×10^-3	38.49/8.81	10.25%@59.5 keV ²⁴¹Am	This work

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添加剂辅助生长CsPbBr₃单晶及其γ射线探测性能

Additive-Assisted Growth of CsPbBr₃ Single Crystals and Its γ-Ray Detection Performance

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