CN112531116B - 一种钙钛矿超快x射线探测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钙钛矿超快X射线探测器，自上至下依次包括：金属电极、电子传输层；钙钛矿材料层、空穴传输层和衬底层；其中，X射线从所述探测器的一侧入射，并在钙钛矿材料层中产生电子空穴对，工作电压施加在衬底层，产生电信号，并通过所述金属电极输出，本发明提供了一种钙钛矿超快X射线探测器，X射线斜向入射到钙钛矿材料层，可以在设计钙钛矿材料层时，减小其厚度，以提高响应速度，满足对响应速度要求较高的CT应用要求，本发明提供的钙钛矿超快X射线探测器制备方法，给出了钙钛矿超快X射线探测器的制备方法，保证探测器的使用稳定性，层间形成有效接触。

Description

一种钙钛矿超快X射线探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及X射线探测器领域，尤其涉及一种钙钛矿超快X射线探测器祭祀制备方法。

背景技术

当前X射线成像技术可分为间接成像和直接成像两种。间接探测成像是利用闪烁体受X射线辐照后发射可见光，再利用光电探测器进行检测成像。闪烁体优点是响应速度快、造价低廉。但由于受到光学折射和散射引起的串扰影响，空间分辨率较低，为了降低串扰，晶体间需要使用屏蔽材料隔离，这也使得闪烁体像素无法减小，且利用率较低。直接探测成像则是利用半导体材料吸收高能射线后，产生电子-空穴对，在外加电场的作用下，被外电路收集实现信号探测。

目前，X射线断层扫描(CT)主要利用闪烁体作为X射线探测器，其空间分辨率为毫米级别。而半导体由于载流子传输速度限制，其对射线响应速度较慢，尚无法满足X射线断层扫描(CT)要求。

发明内容

本发明提供了一种钙钛矿超快X射线探测器，X射线斜向入射到钙钛矿材料层，可以在设计钙钛矿材料层时，减小其厚度，以提高响应速度，满足对响应速度要求较高的CT应用要求。

本发明还有一个目的是提供了一种钙钛矿超快X射线探测器制备方法，给出了钙钛矿超快X射线探测器的制备方法，保证探测器的使用稳定性，层间形成有效接触。

本发明提供的技术方案为：

一种钙钛矿超快X射线探测器，其特征在于，自上至下依次包括：金属电极、电子传输层；钙钛矿材料层、空穴传输层和衬底层；

其中，X射线从所述探测器的一侧入射，并在钙钛矿材料层中产生电子空穴对，所述电子空穴对在工作电压作用下分离，产生电信号，并通过所述金属电极输出，其中，所述工作电压施加在所述衬底层。

优选的是，所述金属电极材质为金、银、铜和铬中的一种或几种。

优选的是，所述电子传输层材质为氧化锌、富勒烯衍生物、二氧化锡、氧化镁锌、二氧化钛、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]中的一种。

优选的是，所述钙钛矿材料层由钙钛矿材料制成，所述钙钛矿材料的化学表达式为ABX3，其中，A为甲胺、甲脒、铯中的一种或几种；B为铅；X为卤素离子氯、溴、碘的其中一种或几种。

优选的是，所述空穴传输层材料可为氧化镍、碘化铜和2,2',7,7'-四溴-9,9'-螺二、三(4-碘苯)胺中的一种。

优选的是，所述衬底层为氧化铟锡或掺杂氟的二氧化锡透明导电玻璃的一种。

优选的是，所述钙钛矿材料层厚度为0.1-1mm。

优选的是，所述金属电极包括多个间隔设置的像素电极条，所述像素电极条长度大于5mm且宽度为300nm-1mm。

一种钙钛矿超快X射线探测器制备方法，包括：

步骤一、在衬底层上通过蒸镀、溅射、旋涂或喷涂的方式，制备空穴传输层；

步骤二、在所述空穴传输层上通过刮涂、蒸镀或旋涂的方式制备钙钛矿层；

步骤三、在所述钙钛矿层上通过蒸镀、溅射、旋涂或喷涂的方式，制备电子传输层；

步骤四、在所述电子传输层上通过蒸镀方式制备电极。

有益效果

本发明提供了一种钙钛矿超快X射线探测器，X射线侧向入射到钙钛矿材料层，可以在设计钙钛矿材料层时，减小其厚度，以提高响应速度，满足对响应速度要求较高的CT应用要求。

本发明还提供了一种钙钛矿超快X射线探测器制备方法，给出了钙钛矿超快X射线探测器的制备方法，保证探测器的使用稳定性，层间形成有效接触。

附图说明

图1为本发明所述的钙钛矿超快X射线探测器立体图。

图2为本发明所述的钙钛矿超快X射线探测器侧视图

图3为本发明所述的钙钛矿超快X射线探测器俯视图。

图4为本发明所述的探测器的探测示意图。

图5为本发明所述的钙钛矿超快X射线探测器制备方法流程图。

图6为本发明所述的制备方法制备的器件在不同剂量率X射线下产生的响应曲线图。

图7为本发明所述的制备方法制备的探测器件的X射线响应速度图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中”、“上”、“下”、“横”、“内”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，基于背景技术提出的技术问题，本发明提供了一种钙钛矿超快X射线探测器，自上至下依次包括：金属电极110、电子传输层120；钙钛矿材料层130、空穴传输层140和衬底层150；

如图4所示，X射线从探测器的一侧入射，并在钙钛矿材料层130中产生电子空穴对，工作电压施加在衬底层150产生电信号，并通过金属电极110输出，输出信号经信号线200传输到读取电路，X射线从探测器的一侧入射到钙钛矿材料层，可以在设计钙钛矿材料层时，减小其厚度，以提高响应速度，满足对响应速度要求较高的CT应用要求。

钛矿材料层130吸收X射线并将其转换为载流子，载流子在电场作用下定向漂移然后被金属电极110收集为信号，不存在像素串扰；

在另一实施例中，金属电极110材质为金、银、铜和铬中的一种或几种。

在另一实施例中，电子传输层120材质为ZnO、PCBM、SnO2、ZnMgO、TiO2、PTAA中的一种，其中，ZnO为氧化锌、PCBM是一个富勒烯衍生物，分子式是[6,6]-phenyl-C61-butyricacid methyl ester。由于它的较好的溶解性，很高的电子迁移率，与常见的聚合物给体材料形成良好的相分离，已成为有机太阳能电池的电子受体的标准物，SnO2为二氧化锡、ZnMgO为氧化镁锌、TiO2为二氧化钛、PTAA为聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]，PTAA为钙钛矿材料。本实施例中设置电子传输层120，在探测器结构中起到传输电子阻挡空穴的用，能够改善电子信号的传输速率，减少钙钛矿材料层表面的缺陷。

在另一实施例中钙钛矿材料层130由钙钛矿材料制成，所述钙钛矿材料的化学表达式为ABX3，其中，A为甲胺、甲脒、铯中的一种或几种；B为铅；X为卤素离子氯、溴、碘的其中一种或几种，且钙钛矿材料层厚度为0.1-1mm。

钙钛矿材料作为直接探测材料对于X射线转换效率更高，钙钛矿中的电子-空穴对生成能一般为5-6eV，而间接探测常用材料GOS的量子产额为60000/MeV，对应电子-空穴对生成能为16.7eV，远高于其他探测材料。

在另一实施例中，空穴传输层140材料可为氧化镍、碘化铜和2,2',7,7'-四溴-9,9'-螺二、三(4-碘苯)胺中的一种，空穴传输层能够提高空穴收集效率的同时增大能带间隙、提高电气稳定性和热稳定性。

在另一实施例中衬底层150为氧化铟锡或掺杂氟的二氧化锡透明导电玻璃的一种。

如图2-3所示，在另一实施例中，金属电极110包括多个间隔设置的像素电极条111a，像素电极条111a长度大于5mm且宽度为300nm-1mm.

金属电极110直接探测产生的电信号直接与读出电路结合，避免间接探测中X光到可见到电信号的多步转换，电路复杂性降低，减少外部噪声引入。

如图5所示，本发明还提供了一种钙钛矿超快X射线探测器制备方法，包括：

步骤S210、在衬底层150上通过蒸镀、溅射、旋涂或喷涂的方式，制备空穴传输层140；

步骤S220、在空穴传输层140上通过刮涂、蒸镀或旋涂的方式制备钙钛矿材料层130；

步骤S230、在钙钛矿材料层130上通过蒸镀、溅射、旋涂或喷涂的方式，制备电子传输层120；

步骤S240、在电子传输层120上通过蒸镀方式制备金属电极110。

本发明提供的钙钛矿超快X射线探测器制备方法，给出了钙钛矿超快X射线探测器的制备方法，保证探测器的使用稳定性，层间形成有效接触。

如图6所示，为制备器件在不同剂量率X射线下产生的响应。利用TiO2空穴传输层，PCBM作为电子传输层，FTO与金作为电极，甲胺铅碘材料作为钙钛矿层，制备器件。用Keithley 6517B高阻计进行测试，器件工作在0.5V偏压下，可发现器件对X射线响应呈线性关系。

如图7所示，为所制备器件的X射线响应速度。利用TiO2空穴传输层，PCBM作为电子传输层，FTO与金作为电极，甲胺铅碘材料作为钙钛矿层，制备器件。器件偏压为0.1V时，通过斩波器控制X射线开关，利用示波器采集器件响应速率，可发现器件上升沿达到80μs，下降沿达到70μs。

探测器的响应速率可通过下式获得：

其中，t为响应速率，d为探测器厚度，μ为载流子迁移率，V为工作电压。

可见本实施例提供的X射线探测器响应速度快，能够满足X射线断层扫描(CT)要求。

本发明提供的钙钛矿超快X射线探测器，X射线侧向入射到钙钛矿材料层，可以在设计钙钛矿材料层时，减小其厚度，以提高响应速度，满足对响应速度要求较高的CT应用要求。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种钙钛矿超快X射线探测器的探测方法，其特征在于，所述X射线探测器自上至下依次包括：金属电极、电子传输层；钙钛矿材料层、空穴传输层和衬底层；

其中，X射线从所述探测器的非电极层的一侧入射，并在钙钛矿材料层中产生电子空穴对，所述电子空穴对在工作电压作用下分离，产生电信号，并通过所述金属电极输出，输出信号经信号线传输到读取电路，所述工作电压施加在所述衬底层；

所述钙钛矿材料层厚度为0.1-1 mm；

所述金属电极包括多个间隔设置的像素电极条，所述像素电极条长度大于5mm且宽度为300nm-1 mm。

2.根据权利要求1所述的钙钛矿超快X射线探测器的探测方法，其特征在于，所述金属电极材质为金、银、铜和铬中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的钙钛矿超快X射线探测器的探测方法，其特征在于，所述电子传输层材质为氧化锌、富勒烯衍生物、二氧化锡、氧化镁锌、二氧化钛、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]中的一种。

4.根据权利要求2或3所述的钙钛矿超快X射线探测器的探测方法，其特征在于，所述钙钛矿材料层由钙钛矿材料制成，所述钙钛矿材料的化学表达式为ABX₃，其中，A为甲胺、甲脒、铯中的一种或几种；B为铅；X为卤素离子氯、溴、碘的其中一种或几种。

5.根据权利要求4所述的钙钛矿超快X射线探测器的探测方法，其特征在于，所述空穴传输层材料可为氧化镍、碘化铜和2,2',7,7'-四溴-9,9'-螺二、三(4-碘苯)胺中的一种。

6.一种用于权利要求1-5中任一项所述探测方法中的钙钛矿超快X射线探测器，其特征在于，所述衬底层为氧化铟锡或掺杂氟的二氧化锡透明导电玻璃的一种。

7.一种如权利要求6所述的钙钛矿超快X射线探测器的制备方法，其特征在于，包括：

步骤一、在衬底层上通过蒸镀、溅射、旋涂或喷涂的方式，制备空穴传输层；

步骤二、在所述空穴传输层上通过刮涂、蒸镀或旋涂的方式制备钙钛矿层；

步骤三、在所述钙钛矿层上通过蒸镀、溅射、旋涂或喷涂的方式，制备电子传输层；

步骤四、在所述电子传输层上通过蒸镀方式制备电极。

Images