A côté de l’efficacité et de la sensibilité des détecteurs de rayons X, la densité de courant d’obscurité est un facteur fondamentalement important pour le bon fonctionnement de la matrice de lecture sur laquelle la couche de capteur d’halogénure est déposée. Presque tous les détecteurs basés sur MAPbI3 ont été signalés comme ayant un courant de fuite très élevé en raison de la bande interdite relativement faible de MAPbI3. Afin de résoudre ce problème, nous nous sommes attachés à minimiser le courant d’obscurité des détecteurs à base de MAPbI3 avec des résultats reproductibles tout en maintenant une sensibilité élevée aux rayons X. Le tableau 1 présente les performances des configurations de détecteurs à base de MAPbI3. Le tableau S1 présente de manière schématique les configurations des détecteurs. La figure S1 présente la légende des différentes couches incluses dans chaque configuration. Deux types de polymères (polymères A et B sur la figure S1) ont été utilisés pour fabriquer les couches de transport de charge. Des détecteurs MAPbI3 de différentes épaisseurs ont été fabriqués dans cette étude. La gamme d’épaisseur variait de 200 à 1400 µm. Une image MEB d’une couche MAPbI3 typique est présentée dans la figure supplémentaire S2. Les figures S3 et S4 montrent les installations de caractérisation par rayons X utilisées dans cette étude. De plus amples détails sur ces installations sont donnés dans la section  » Méthodes « . Les expériences de caractérisation ont commencé en utilisant un capteur à base de MAPbI3 sans couches supplémentaires de manipulation de la charge, c’est-à-dire que la couche de MAPbI3 était directement polarisée des deux côtés. Dans les étapes suivantes, les couches de contrôle de charge ont été ajoutées entre le capteur MAPbI3 et les contacts électriques. Un total de 16 configurations a été testé, et les six configurations les plus prometteuses sont présentées dans le tableau 1.

Les courants d’obscurité typiques à un champ électrique de 0,08 V/µm pour chaque configuration est également indiqué dans le tableau. La figure 3 montre les caractéristiques courant-tension des détecteurs pour chaque configuration. Comme prévu, un courant de fuite très élevé est observé dans la configuration 1 en raison de la bande interdite MAPbI3 plus faible. La ligne de base du courant d’obscurité pour les configurations 1 à 3 était instable et offrait donc une stabilité inférieure au détecteur. Le courant d’obscurité le plus faible a été obtenu en utilisant une seule couche de polymère B entre la couche de semi-conducteur MAPbI3 et le contact (configuration 6). À une polarisation de 0,083 V/µm, le courant d’obscurité mesuré était de 1,29 × 10-6 mA/cm2. Cinq de ces détecteurs ont été encapsulés à l’aide d’une époxy optique et mis sous polarisation pendant 240 jours. La ligne de base du courant d’obscurité des détecteurs était stable sous une tension de polarisation constante, et en fait, le courant d’obscurité a diminué à ~ 2,5 × 10-7 mA/cm2 sur 240 jours. Les variations de la sensibilité du détecteur MAPbI3 étaient inférieures à ± 2 %. Les données de réponse aux rayons X pour l’un de ces détecteurs sont présentées dans la figure supplémentaire S5. En revanche, après une polarisation prolongée (~ 2 jours), la ligne de base de tous les autres dispositifs avec les configurations 4 et 5 a commencé à présenter une quantité significative de bruit avec une augmentation jusqu’à deux fois du courant d’obscurité. L’encapsulation utilisée pour tous ces détecteurs n’était pas entièrement optimisée. L’interaction avec l’humidité et l’oxygène entraîne l’émanation des espèces organiques de la matrice MAPbI3, la laissant riche en Pb, ce qui détériore la photoréponse de ces détecteurs34,37. L’encapsulation hermétique est essentielle pour le fonctionnement à long terme de ces détecteurs et reste un défi crucial pour les matériaux pérovskites qui sont actuellement en cours de développement pour différentes applications34,38. Plusieurs schémas de dopage cationique et anionique ont été suggérés pour atténuer ce problème de stabilité et peuvent être utilisés pour stabiliser ces détecteurs de rayons X pour des applications à long terme dans des atmosphères ambiantes39,40,41. Des études futures seront réalisées sur l’optimisation de ces détecteurs pour des applications de détection de rayons X à long terme.

Tracé de la densité de courant en fonction de la tension pour les configurations de détecteur 1 à 6. Voir le tableau 1 pour les détails des configurations de détecteurs de rayons X.

La sensibilité aux rayons X des détecteurs a été caractérisée en utilisant le montage présenté sur la figure S3. La distance détecteur-source a été maintenue constante à environ 20 cm. Les détecteurs fabriqués en utilisant les configurations 1 à 5 ont démontré des sensibilités élevées jusqu’à 17 µC mGy-1 cm-2 à un champ électrique de 0,08 V/µm. Cependant, en raison du manque de stabilité des détecteurs et de leur faible reproductibilité, nous avons concentré nos études sur la configuration 6. Les valeurs de sensibilité pour le détecteur de 1200 µm d’épaisseur étaient de 1,9-7,5 µCmGy-1 cm-2 pour une polarisation appliquée de 0,041-0,16 V/µm. Pour le détecteur de 200 µm d’épaisseur, les valeurs de sensibilité étaient de 7,5-13,5 µCmGy-1 cm-2 pour une polarisation appliquée de 0,25-0,5 V/µm. Ces deux détecteurs ont été testés à 90 kV avec un courant de tube de 85 µA. Une comparaison des valeurs de sensibilité pour des détecteurs de différentes épaisseurs est donnée dans la Fig. 4. On peut y voir que la sensibilité augmente lorsque la polarisation appliquée est accrue. De même, pour des champs électriques similaires, les détecteurs plus fins présentent une sensibilité plus élevée, ce qui montre les effets du piégeage des charges à l’intérieur des détecteurs plus épais. Le graphique montre également la plus faible efficacité du détecteur de 200 µm par rapport aux détecteurs de 600 et 1200 µm. Les figures 5 et 6 montrent la linéarité par rapport à l’énergie des rayons X entrants et au taux d’exposition aux rayons X des détecteurs de 1200 µm et 200 µm d’épaisseur, respectivement. Comme on peut le voir, la réponse aux rayons X de ces deux détecteurs est linéaire et montre donc la faisabilité d’une réponse linéaire aux rayons X des détecteurs à base de MAPbI3.

Sensibilité normalisée aux rayons X des détecteurs MAPbI3 avec différentes épaisseurs, telle que mesurée en utilisant la configuration de la source de rayons X microfocus. Remarquez les effets du piégeage dans les détecteurs plus épais et l’efficacité plus faible des détecteurs plus fins.

Réponse aux rayons X du détecteur MAPbI3 de 1200 µm d’épaisseur polarisé à 0,042 V/µm. Le débit de dose d’exposition le plus élevé est de 3,8 µGy/s.

Réponse aux rayons X du détecteur MAPbI3 de 200 µm d’épaisseur polarisé à 0,25 V/µm. Le débit de dose d’exposition le plus élevé est de 3,8 µGy/s. Les valeurs d’erreur dans les axes Y sont limitées à 8,4 × 10-11 nA/cm2. Les barres d’erreur de ces données ne sont pas visibles sur le graphique.

La figure 7 montre la réponse des détecteurs de 1200 µm et 200 µm d’épaisseur à la même puissance. Cela montre à nouveau la réponse hautement linéaire et uniforme de deux détecteurs distincts. Comme prévu, des effets de polarisation plus importants ont été observés dans le détecteur plus épais. La figure 8 montre la différence de polarisation des détecteurs polarisés à différentes tensions de polarisation. Il est clair que des tensions de polarisation plus élevées entraînent des effets de polarisation, visibles par une décroissance du signal après la montée initiale du signal. L’effet de polarisation prolongée s’éteint autour d’une polarisation appliquée de 0,5 V/µm, tandis que la polarisation rapide est éliminée à 0,2 V/µm. La figure 9 montre le front descendant du détecteur MAPbI3 de 200 µm d’épaisseur après l’arrêt du tube à rayons X. Le piégeage des charges dans la masse contribue à l’augmentation de l’effet de polarisation. Le piégeage des charges dans la masse contribue au retard de décroissance de ces détecteurs. Le retard de décroissance plus faible dans ces détecteurs par rapport à d’autres semi-conducteurs polycristallins tels que l’a-Se est dû à la présence de défauts peu profonds dans les cristallites MAPbI342. Des pièges plus profonds entraînent des temps de désintégration plus longs, ce qui augmente le retard de désintégration. Un autre facteur qui s’ajoute à ce décalage est le retard dans l’injection de charge à travers le champ électrique accru généré en raison de l’illumination aux rayons X au niveau des électrodes de contact et de la couche barrière (comme la couche de polymère B dans la configuration 6).

Réponse aux rayons X du détecteur MAPbI3 de 1200 µm et 200 µm d’épaisseur polarisé à 0,042 V/µm et 0,25 V/µm, respectivement.

Effet de polarisation au front montant de la réponse aux rayons X dans le détecteur MAPbI3 de 200 µm d’épaisseur à des tensions de polarisation plus élevées.

Le bord descendant de la réponse aux rayons X présente de faibles retards de décroissance dans les détecteurs MAPbI3 de 200 µm d’épaisseur à toutes les tensions.

Nous avons également estimé les caractéristiques de mobilité-durée de vie des détecteurs MAPbI3 en utilisant l’équation de Hecht classique et nous avons obtenu des valeurs de mobilité-durée de vie de l’ordre de ~ 10-4 cm2/V. La figure 10 montre les données de l’un de ces détecteurs. Il est clair que ces détecteurs possèdent d’excellentes propriétés de porteurs de charge et pourraient potentiellement devenir le matériau de détection le plus performant pour la détection directe des rayons X de plus haute énergie.

Calculs de mobilité-temps de vie pour des détecteurs de 200 µm d’épaisseur.

Les performances des détecteurs de 1200 µm et 200 µm d’épaisseur ont également été testées sur la ligne de faisceau XPD du NSLS II au Brookhaven National Laboratory (BNL), figure S4. Les règles de sécurité de la ligne de faisceau du BNL limitaient la tension autorisée pour tout nouvel équipement (tel que le détecteur de rayons X) utilisé dans la salle de la ligne de faisceau, ce qui limitait à son tour le champ électrique maximal à 0,25 V/µm. En outre, ces détecteurs n’étaient pas encapsulés hermétiquement et ont été exposés à une atmosphère ambiante pendant trois jours avant d’être testés sur la ligne de faisceau NSLS-II de BNL. La figure 11 montre la réponse de ces détecteurs sous un rayonnement X synchrotron monochromatique de 70 keV pendant plus de 30 minutes. Bien que les détecteurs MAPbI3 polycristallins aient donné des réponses mesurables sous un rayonnement synchrotron monochromatique à haute énergie sous une faible polarisation appliquée, ces réponses représentent simplement la faisabilité de ces détecteurs pour la détection synchrotron et ne sont pas entièrement optimisées. Avec une optimisation plus poussée, ces détecteurs ont le potentiel de démontrer un SNR beaucoup plus élevé, comme cela a été démontré avec la source de rayons X microfocus. L’orientation future de cette étude sera axée sur le développement de FPXI à haute résolution spatiale de grande surface. Cela comprendra l’optimisation du matériau du capteur et de la structure du détecteur, la conception et la fabrication d’un fond de panier pixellisé approprié optimisé pour MAPbI3, et le test de ces détecteurs pour des applications de synchrotron et d’imagerie médicale.

Réponse synchrotron monochromatique à 70 keV de détecteurs MAPbI3 de 1200 µm et 200 µm d’épaisseur polarisés à 50 V. L’axe Y est en nA et montre des valeurs de courant beaucoup plus faibles par rapport aux réponses aux rayons X microfocus en raison des débits de dose effectifs plus faibles. Les lignes droites en pointillés montrent la réponse moyenne des détecteurs aux rayons X synchrotron monochromatiques entrants de 70 keV.

En conclusion, nous avons établi et validé la voie à suivre pour une nouvelle génération de détecteurs de rayons X polycristallins qui ont des applications dans de nombreux domaines qui nécessitent des FPXI de grande surface, spécifiquement dans l’imagerie médicale et synchrotron. Non seulement les couches semi-conductrices à base de MAPbI3 sont très efficaces et très sensibles aux rayons X, avec des valeurs de sensibilité atteignant 13,5 µCmGy-1 cm-2, mesurées à l’aide d’une source de rayons X microfocus, mais elles sont également faciles à fabriquer et très fiables pour des applications à long terme lorsqu’elles sont encapsulées de manière optimale. Ces détecteurs multicouches présentent des courants d’obscurité extrêmement faibles de l’ordre de ~ 1 nA/cm2 sous une tension de polarisation élevée de 1 V/µm et de ~ 150 pA/cm2 sous une tension de polarisation plus faible de 0,25 V/µm, ce qui convient à la fabrication de FPXI à faible bruit sur des fonds de panier de pixels actifs tels que les TFT a-Si. Nous avons démontré une variété de tests de performance et de stabilité avec ces détecteurs, y compris des tests de réponse du détecteur avec un rayonnement synchrotron monochromatique de 70 keV au BNL. Les détecteurs encapsulés à l’époxy ont également montré un courant d’obscurité stable et une sensibilité de détection des rayons X pendant plus de huit mois dans une atmosphère ambiante.