铋基钙钛矿Cs3Bi2I9单晶及控制其生长的方法和探测器

本发明属于钙钛矿半导体及晶体生长领域，具体涉及一种铋基钙钛矿cs3bi2i9单晶及控制其生长的方法和探测器。

背景技术：

1、钙钛矿单晶x射线探测器由于其较高灵敏度与较低检测限，在x射线探测领域具有较高的应用潜力。目前研究较多的铅基钙钛矿单晶x射线探测器具有较高的灵敏度，但存在离子迁移问题，影响探测器稳定性，且其水氧不稳定性和铅毒性也限制了其广泛应用。而铋基钙钛矿单晶在具有较高灵敏度的同时几乎不存在离子迁移，水氧稳定且无铅毒性。然而，铋基钙钛矿单晶的结晶质量较差，影响探测器性能进一步提升。目前溶液法生长单晶主要有逆温结晶法、反溶剂扩散法和蒸发溶剂法，这些方法生长的单晶普遍存在成核数量较多、结晶速度较快的问题，导致生长的单晶缺陷较多，严重影响探测器性能。虽然目前已经开发了一些用于减少铋基钙钛矿单晶缺陷的单晶生长新方法，例如顶部晶种法和控制成核溶液法，但这些方法对实验装置的精密程度要求较高、工艺较复杂、操作有一定难度，且对实验环境的要求较苛刻，单晶生长成功率不高。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供了一种铋基钙钛矿cs3bi2i9单晶及控制其生长的方法和探测器，以期至少部分地解决上述技术问题，由此本发明提供的具体技术方案如下。

2、作为本发明的第一个方面，本发明提供了一种控制铋基钙钛矿cs3bi2i9单晶生长的方法，包括：

3、向溶剂中加入碘化铯和碘化铋，得到混合溶液；

4、向混合溶液中加入成核调控剂，得到前驱液；

5、向放置有籽晶的密闭容器中加入前驱液，设置加热程序，得到铋基钙钛矿cs3bi2i9单晶；

6、其中，加热程序为：先以2-8℃/min的升温速率升温至第一预设温度，再以2-5℃/天的升温速率升温至第二预设温度，第一预设温度为85-95℃，第二预设温度为95-105℃，且第二预设温度大于第一预设温度，加热程序加热时间为2-4天；成核调控剂为醇类聚合物。

7、作为本发明的第二个方面，本发明提供了一种铋基钙钛矿cs3bi2i9单晶，采用上述方法制得。

8、作为本发明的第三个方面，本发明提供了一种探测器，其中，探测器包括上述铋基钙钛矿cs3bi2i9单晶，用于x射线探测、红外探测、可见光探测、α粒子探测中任意一种。

9、基于上述技术方案，本发明提供的一种铋基钙钛矿cs3bi2i9单晶及控制其生长的方法和探测器至少存在以下有益效果之一：

10、(1)在本发明的实施例中，通过向混合溶液中加入成核调控剂控制成核位点，避免产生较多细小碎晶，加入形貌规整的籽晶作为晶种辅助晶体生长。在晶体生长过程中，设置加热程序，先迅速升温到单晶生长温度，后缓慢升温使晶种进一步长大，通过改变温度来改变碘化铯和碘化铋在溶剂中的溶解度，从而缓慢析出碘化铯和碘化铋，升温速率过高或者过低都会影响单晶生长速率和形貌，得不到形貌规整的单晶。通过本发明中的方法降低了晶体生长过程中的成核数量和结晶速度，以生长出缺陷密度较低、电阻率较高的铋基钙钛矿cs3bi2i9单晶。本发明控制铋基钙钛矿cs3bi2i9单晶生长的方法具有工艺简单、环境要求较低、单晶质量较好的特点。

11、(2)在本发明的实施例中，使用铋基钙钛矿cs3bi2i9单晶制备探测器，利用铋基钙钛矿cs3bi2i9单晶具有缺陷密度较低和电阻率较高的优势，可以有效降低探测器暗电流，提高探测器载流子传输性能，进而提高探测器灵敏度。

技术特征：

1.一种控制铋基钙钛矿cs3bi2i9单晶生长的方法，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铋基钙钛矿cs3bi2i9单晶形状为六棱柱，所述六棱柱高1-3mm，所述六棱柱对角线长5-15mm。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述碘化铯浓度为1.5-1.8mol/l，所述碘化铋浓度为1.0-1.2mol/l，所述混合溶液中碘化铯与碘化铋物质的量之比为3:2。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述醇类聚合物选自聚丙二醇、聚丙烯醇、聚乙二醇中任意一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述籽晶通过以下步骤获得：

6.根据权利要求5所述的方法，其中，得到所述籽晶的所述加热温度为70-100℃，得到所述籽晶的所述加热时间为24-72h，所述籽晶尺寸为0.5-1.5mm。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述溶剂选自n，n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、γ-丁内酯中至少一种，所述成核调控剂和所述溶剂的体积比为1:120-200。

8.一种铋基钙钛矿cs3bi2i9单晶，采用权利要求1-7任一项所述的方法制得。

9.一种探测器，其中，所述探测器包括权利要求8所述的铋基钙钛矿cs3bi2i9单晶，所述探测器用于x射线探测、红外探测、可见光探测、α粒子探测中任意一种。

10.根据权利要求9所述的探测器，其中，所述探测器还包括金属电极、导线以及电路板；

技术总结本发明提供了一种铋基钙钛矿Cs<subgt;3</subgt;Bi<subgt;2</subgt;I<subgt;9</subgt;单晶及控制其生长的方法和探测器，属于钙钛矿半导体及晶体生长领域。控制铋基钙钛矿Cs<subgt;3</subgt;Bi<subgt;2</subgt;I<subgt;9</subgt;单晶生长的方法，包括：向溶剂中加入碘化铯和碘化铋，得到混合溶液；向混合溶液中加入成核调控剂，得到前驱液；向放置有籽晶的密闭容器中加入前驱液，设置加热程序，得到铋基钙钛矿Cs<subgt;3</subgt;Bi<subgt;2</subgt;I<subgt;9</subgt;单晶；其中，加热程序为：先以2‑8℃/min的升温速率升温至第一预设温度，再以2‑5℃/天的升温速率升温至第二预设温度，第一预设温度为85‑95℃，第二预设温度为95‑105℃，且第二预设温度大于第一预设温度，加热程序加热时间为2‑4天；成核调控剂为醇类聚合物。技术研发人员：胡芹,刘家阳,陈元淦,程隆,胡明珠,黄利娟受保护的技术使用者：中国科学技术大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11