南京航空航天大学,AFM ,超宽带隙Rb₂AgI₃单晶:偏振敏感UVB光电探测与高灵敏度X射线成像双功能平台
大家好，今天为大家分享来自南京航空航天大学姜明明教授团队近期在 Advanced Functional Materials 上发表的研究论文无铅超宽带隙半导体是下一代光电子学的关键材料，然而，要实现同时集偏振分辨紫外探测与高能辐射传感于一体的材料，仍是一项重大挑战。本文报道了采用定制化学气相沉积法合成高质量Rb₂AgI₃钙钛矿单晶。该材料独特地融合了超宽带隙 (≈4.03 eV)、可实现高效X射线衰减的高Z组分以及显著的各向异性结构。所制备的光电探测器展现出卓越的双功能性能。在紫外B波段探测方面，其获得了高响应度 (0.29 A/W)和超快响应速度 (42.4/54 µs)。至关重要的是，该探测器表现出前所未有的波长可切换偏振灵敏度，其线偏振度(DLP)从295 nm处的−0.68反转为305 nm处的0.72，这在全无机钙钛矿中尚属首次。利用这一现象，本研究进行了双波长信息编码以及基于卷积神经网络的图像对比度增强验证性演示 (识别准确率>97%)。与此同时，该器件还可用作高灵敏度X射线探测器，展现出5.3 × 10⁴ µC Gyair⁻¹ cm⁻²的优异灵敏度、27 nGyair s⁻¹的超低检测限以及卓越的工作稳定性，并通过高分辨率生物成像予以验证。本工作将Rb₂AgI₃确立为一种多功能、高稳定性的材料平台，从根本上重新定义了面向下一代高能辐射传感与偏振分辨光电子学的多功能光电子学前沿。关键词：化学气相沉积、偏振反转、偏振敏感光电探测、超宽带隙 Rb₂AgI₃、X 射线探测
研究人员以定制CVD法合成的无铅全无机钙钛矿Rb₂AgI₃单晶为核心，在单一材料平台上同时实现了偏振分辨UVB探测与高灵敏X射线成像双重功能。该材料兼具4.03 eV的超宽带隙、显著的结构各向异性以及高效X射线衰减能力。器件在295 nm和305 nm处展现出波长可切换的偏振反转行为，线偏振度从–0.68显著跃变至0.72，这在全无机钙钛矿中尚属首次报道。基于这一特性进一步完成了双波长信息编码与结合卷积神经网络的图像对比度增强验证。X射线探测方面，该器件获得了5.3×10⁴ µC Gyair⁻¹ cm⁻²的灵敏度与27 nGyair s⁻¹的检测限，并呈现出清晰的高分辨生物成像效果。
1.材料表征示意：
图1：Rb₂AgI₃样品的理论分析、合成与表征。a) 通过CVD方案制备Rb₂AgI₃样品的示意图，插图为光学显微照片。b) Rb₂AgI₃的SEM图像及对应的EDS元素分布图。c) 带状Rb₂AgI₃单晶的AFM图像，高度约为1.5 µm。d) Rb₂AgI₃的能带结构分析。e) 计算得到的Rb₂AgI₃分态密度 (PDOS)。f) CVD合成的Rb₂AgI₃单晶与其他代表性材料的吸收系数汇总对比。g) 多功能应用概念图。h) Rb₂AgI₃的原子结构。图2：CVD合成Rb₂AgI₃单晶的光学表征。a) 吸收光谱，插图为对应的Tauc图。b) Rb₂AgI₃单晶的PLE和PL光谱。c) Rb₂AgI₃的PL衰减寿命曲线。d, e) Rb₂AgI₃单晶的角分辨拉曼光谱等高线彩色图。f) 位于110 cm⁻¹处拉曼峰的归一化强度极坐标图及拟合曲线。g) 激发功率依赖的SHG信号光谱。h) 激发功率依赖的SHG强度的线性拟合。i) 平行和交叉配置下的角分辨偏振SHG强度。图3：所制备Rb₂AgI₃单晶器件的光响应性能。a) 10 V偏压下Rb₂AgI₃器件的噪声电流。b) 暗态及恒定功率密度下测量的波长依赖I-V曲线。c) 不同波长下的光电流值。d) 光电流和响应度随光功率密度变化的曲线。e) NEP和D*随频率的变化关系曲线。f) 4.8 kHz斩波频率下光电探测器的归一化调制频率光响应与响应速度。图4：所制备Rb₂AgI₃单晶光电探测器的偏振反转光电探测。a) 偏振依赖吸收光谱的二维等高线图。b) Rb₂AgI₃单晶的吸收光谱及αb/αb比值对比。c) TDM沿a轴和b轴的分布。基于Rb₂AgI₃的探测器在d) 295 nm和e) 305 nm偏振光入射下的光开关响应。10 V偏压下，在f) 295 nm和g) 305 nm偏振激光照射下以极坐标绘制的光电流演变。h) 紫外B波段波长相关DLP值的计算。图5：偏振反转在信息识别与图像增强中的应用。a) 成像系统示意图。b) 不同波长下的单像素成像。c) 在不同偏振角度下获取的成像结果。在 d) 非偏振与 e) 偏振光照射下对应305和295 nm的光电流比值。使用光电探测器的 f) 传统光响应和 g) 偏振反转光响应在305和295 nm进行的虚拟成像。h) 用于图像分类的CNN架构。i) 基于CNN的“EMNIST”数据集手写字母图像的识别准确率曲线。图6：Rb₂AgI₃单晶探测器的X射线光电探测性能。a) X射线成像装置示意图。b) Rb₂AgI₃单晶探测器拍摄的活鱼 (螃蟹) X射线图像。X射线管工作电压为50 kV，剂量率400 µGyair s⁻¹，曝光时间500 ms，总X射线剂量为200 µGyair。c) Rb₂AgI₃探测器的暗电流漂移。d) 50 kV下不同剂量率时的J-V特性曲线。e) 器件电流随剂量率的变化曲线。f) 光电流随剂量率的线性拟合曲线。g) 不同剂量率下的信噪比，用于计算检测限(LoD)。h) 部分代表性钙钛矿基探测器的灵敏度与检测限汇总。
本研究通过定制的CVD路线合成出高质量Rb₂AgI₃单晶，在无铅、全无机超宽带隙半导体领域取得了突破性进展。该材料具有4.03 eV的超宽带隙和显著的层状各向异性结构，克服了传统钙钛矿与新兴钙钛矿体系的关键局限性，包括毒性、环境不稳定性及电荷传输缓慢等问题。与先前报道的带隙较窄或结晶度较差的无铅钙钛矿不同，Rb₂AgI₃能够实现双功能光电子器件，在偏振分辨UVB光电探测和低剂量X射线传感两方面均展现出前所未有的性能。我们的器件在UVB波段实现了创纪录的光响应度(0.29 A/W)和比探测率 (1.63 × 10¹³ Jones)，并兼具超快响应速度 (42.4/54 µs)。值得注意的是，该探测器表现出独特的偏振反转行为，这在全无机钙钛矿中尚属首次，其DLP在295 nm处为−0.68，在305 nm处为0.72。这一独特的偏振反转特性能够实现高效的信息识别与图像增强，基于卷积神经网络，经过20个训练周期，识别准确率超过97%。此外，所制备的光电探测器能够实现稳定的X射线探测，性能卓越，包括出色的灵敏度 (5.3 × 10⁴ µC Gyair⁻¹ cm⁻²)、低检测限 (27 nGyair s⁻¹)和低漂移电流 (157 fA cm⁻¹ s⁻¹ V⁻¹)，并展现出优异的生物成像能力。这项工作不仅引入了一种新型银基钙钛矿平台，还重新定义了无毒、宽带隙半导体在下一代高能光子探测、偏振光学和射线照相领域的潜力，为走向商业可行的高性能光电子系统铺平了道路。
文章来源：
https://doi.org/10.1002/adfm.75605
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