A röntgensugár-detektorok hatékonysága és érzékenysége mellett a sötétáram-sűrűség alapvetően fontos tényező annak a kiolvasó mátrixnak a megfelelő működéséhez, amelyre a halogenidos érzékelőréteget helyezik. Szinte az összes MAPbI3 alapú detektorról jelentették, hogy a viszonylag alacsonyabb MAPbI3 sávhézag miatt nagyon magas szivárgási árammal rendelkeznek. E probléma megoldása érdekében a MAPbI3-alapú detektorok sötétáramának minimalizálására összpontosítottunk, megismételhető eredményekkel, a magas röntgenérzékenység fenntartása mellett. Az 1. táblázat a MAPbI3-alapú detektorkonfigurációk teljesítményét sorolja fel. Az S1. táblázat sematikusan mutatja a detektorkonfigurációkat. Az S1. ábra az egyes konfigurációkban szereplő különböző rétegek legendáját mutatja. A töltést szállító rétegek előállításához kétféle polimert (az S1. ábrán A és B polimerek) használtunk. Ebben a tanulmányban különböző érzékelővastagságú MAPbI3 detektorokat gyártottak. A vastagságtartomány 200 és 1400 µm között változott. Egy tipikus MAPbI3 réteg SEM-felvétele az S2. kiegészítő ábrán látható. Az S3. és S4. ábrák az ebben a tanulmányban használt röntgenkarakterizációs elrendezéseket mutatják. A beállításokkal kapcsolatos további részletek a “Módszerek” részben találhatók. A karakterizálási kísérleteket egy MAPbI3-alapú érzékelővel kezdtük, amely nem tartalmazott további töltéskezelő rétegeket, azaz a MAPbI3-réteget közvetlenül mindkét oldalról előfeszítettük. A következő lépésekben a töltésszabályozó rétegeket a MAPbI3 érzékelő és az elektromos érintkezők közé helyeztük. Összesen 16 konfigurációt teszteltünk, és a legígéretesebb hat konfiguráció az 1. táblázatban látható.

A táblázatban az egyes konfigurációk 0,08 V/µm elektromos tér mellett jellemző sötétáramok is szerepelnek. A 3. ábra a detektorok áram-feszültség karakterisztikáját mutatja az egyes konfigurációk esetében. A várakozásoknak megfelelően az 1. konfigurációban az alacsonyabb MAPbI3 sávhézag miatt nagyon magas szivárgási áram figyelhető meg. Az 1-3. konfigurációk sötétáram-alapvonala instabil volt, és ezért rosszabb detektorstabilitást biztosított. A legalacsonyabb sötétáramot a MAPbI3 félvezető réteg és az érintkező közötti egyetlen B polimerréteg alkalmazásával kaptuk (6. konfiguráció). A sötétáram 0,083 V/µm előfeszítés mellett 1,29 × 10-6 mA/cm2 volt. Öt ilyen detektort optikai epoxi segítségével kapszuláztak be, és 240 napig előfeszítés alá helyezték. A detektorok sötétáram-alapvonala állandó előfeszítés mellett stabil volt, sőt a sötétáram 240 nap alatt ~ 2,5 × 10-7 mA/cm2 -re csökkent. A MAPbI3 detektor érzékenységének változása kevesebb mint ± 2% volt. Az egyik ilyen detektor röntgenválaszadatait az S5. kiegészítő ábra mutatja. Másrészt, hosszabb előfeszítés után (~ 2 nap) az összes többi, 4. és 5. konfigurációjú eszköz alapvonala jelentős mértékű zajt kezdett mutatni, a sötétáram akár kétszeresére növekedésével. Az összes ilyen detektorhoz használt tokozás nem volt teljesen optimalizált. A nedvességgel és az oxigénnel való kölcsönhatás a MAPbI3 mátrixból a szerves fajok emanációját eredményezi, így az Pb-ben gazdag marad, ami rontja e detektorok fényválaszát34,37. E detektorok hosszú távú működéséhez elengedhetetlen a hermetikus tokozás, amely még mindig alapvető kihívást jelent a jelenleg különböző alkalmazásokhoz fejlesztés alatt álló perovszkit anyagok számára34,38 . Számos kation- és anionadagolási sémát javasoltak e stabilitási probléma enyhítésére, és ezeket a röntgensugár-detektorokat stabilizálni lehet a környezeti atmoszférában történő hosszú távú alkalmazásokhoz39,40,41 . A jövőben tanulmányokat fognak végezni az ilyen detektorok hosszú távú röntgensugaras detektálási alkalmazásokhoz való optimalizálására.

Az áramsűrűség és a feszültség diagramja az 1-6. detektorkonfigurációkhoz. A röntgensugaras detektorkonfigurációk részleteit lásd az 1. táblázatban.

A detektorok röntgenérzékenységét az S3. ábrán látható elrendezéssel jellemeztük. A detektor-forrás távolságot állandóan 20 cm körül tartottuk. Az 1-5. konfigurációval gyártott detektorok 0,08 V/µm elektromos tér mellett nagy, akár 17 µC mGy-1 cm-2 érzékenységet mutattak. A detektorok stabilitásának hiánya és gyenge reprodukálhatósága miatt azonban vizsgálatainkat a 6. konfigurációra összpontosítottuk. Az 1200 µm vastagságú detektor érzékenységi értékei 1,9-7,5 µCmGy-1 cm-2 voltak 0,041-0,16 V/µm alkalmazott előfeszítés mellett. A 200 µm vastag detektor esetében az érzékenységi értékek 7,5-13,5 µCmGy-1 cm-2 voltak 0,25-0,5 V/µm alkalmazott előfeszítés mellett. Mindkét detektort 90 kV-on, 85 µA csőáram mellett vizsgálták. A különböző vastagságú detektorok érzékenységi értékeinek összehasonlítása a 4. ábrán látható. Itt látható, hogy az érzékenység az alkalmazott előfeszítés növelésével nő. Emellett hasonló elektromos mezők esetén a vékonyabb detektorok nagyobb érzékenységet mutatnak, ami a vastagabb detektorok belsejében lévő töltéscsapdázás hatásait mutatja. Az ábrán látható a 200 µm-es detektor alacsonyabb hatásfoka is a 600 és 1200 µm-es detektorokhoz képest. Az 5. és 6. ábra az 1200 µm, illetve a 200 µm vastagságú detektorok linearitását mutatja a bejövő röntgenenergia és a röntgenexpozíciós sebesség függvényében. Amint látható, mindkét detektor röntgenválasza lineáris, és így a MAPbI3-alapú detektorok lineáris röntgenválaszának megvalósíthatóságát mutatja.

A különböző vastagságú MAPbI3-detektorok normalizált röntgenérzékenysége a mikrofókuszos röntgenforrás beállításával mérve. Vegyük észre a vastagabb detektorokban a csapdázás hatását és a vékonyabb detektorok alacsonyabb hatékonyságát.

A 0,042 V/µm-en előfeszített 1200 µm vastag MAPbI3 detektor röntgenválasza. A legnagyobb expozíciós dózisteljesítmény 3,8 µGy/s.

A 200 µm vastagságú, 0,25 V/µm-en előfeszített MAPbI3 detektor röntgensugár-válasza. A legnagyobb expozíciós dózisteljesítmény 3,8 µGy/s. Az Y-tengelyek hibaértékei 8,4 × 10-11 nA/cm2-re korlátozódnak. Az adatok hibasávjai nem láthatók az ábrán.

A 7. ábra az 1200 µm és 200 µm vastagságú detektorok válaszát mutatja azonos teljesítmény mellett. Ez ismét a két különálló detektor rendkívül lineáris és egyenletes válaszát mutatja. Ahogyan az várható volt, a vastagabb detektorban nagyobb polarizációs hatások jelentkeztek. A 8. ábra a különböző előfeszültséggel előfeszített detektorok polarizációjának különbségét mutatja. Világos, hogy a magasabb előfeszültségek polarizációs hatásokat eredményeznek, ami a jel kezdeti jelemelkedés utáni lecsengésében látható. Az elhúzódó polarizációs hatás 0,5 V/µm alkalmazott előfeszítés körül megszűnik, míg a gyors polarizáció 0,2 V/µm-nél megszűnik. A 9. ábra a 200 µm vastag MAPbI3 detektor csökkenő élét mutatja a röntgencső kikapcsolása után. A tömegben történő töltéscsapdázás hozzájárul a bomlási késleltetéshez ezekben a detektorokban. A más polikristályos félvezetőkhöz, például az a-Se-hez képest alacsonyabb bomlási késleltetés ezekben a detektorokban a MAPbI3 kristályokban lévő sekély hibáknak köszönhető42. A mélyebb csapdák hosszabb bomlási időt eredményeznek, ami növeli a bomlási késleltetést. Egy másik tényező, amely növeli ezt a késleltetést, a töltésinjekció késleltetése a röntgensugaras megvilágítás miatt az érintkező elektródákon és a gátlórétegen (például a 6. konfigurációban a polimer B-rétegen) keletkező megnövekedett elektromos téren keresztül.

A 0,042 V/µm, illetve 0,25 V/µm előfeszítésű 1200 µm és 200 µm vastag MAPbI3 detektor röntgenválasza.

Polarizációs hatás a röntgenválasz emelkedő élén a 200 µm vastag MAPbI3-detektorban nagyobb előfeszültségek mellett.

A röntgenválasz csökkenő élén a 200 µm vastagságú MAPbI3-detektorokban minden feszültségen alacsony bomlási késleltetések mutatkoznak.

A MAPbI3 detektorok mobilitás-élettartam jellemzőit is megbecsültük a klasszikus Hecht-egyenlet segítségével, és ~ 10-4 cm2/V nagyságrendű mobilitás-élettartam értékeket kaptunk. A 10. ábra az egyik ilyen detektor adatait mutatja. Egyértelmű, hogy ezek a detektorok kiváló töltéshordozó-tulajdonságokkal rendelkeznek, és potenciálisan a legjobb teljesítményű érzékelőanyaggá válhatnak a magasabb energiájú röntgensugarak közvetlen detektálásához.

Mobilitás-élettartam számítások 200 µm vastagságú detektorokra.

Az 1200 µm és 200 µm vastagságú detektorok teljesítményét a Brookhaven National Laboratory (BNL) NSLS II XPD sugárvonalán is vizsgálták, S4. ábra. A BNL sugárvonal biztonsági előírásai korlátozták a sugárvonal helyiségében üzemeltetett új berendezések (például a röntgensugaras detektor) megengedett feszültségét, ami viszont a maximális elektromos mezőt 0,25 V/µm-re korlátozta. Ráadásul ezek a detektorok nem voltak hermetikusan tokozottak, és három napig környezeti légkörnek voltak kitéve, mielőtt a BNL NSLS-II sugárvonalán tesztelték őket. A 11. ábra e detektorok válaszát mutatja monokromatikus 70 keV-os szinkrotron röntgensugárzás alatt több mint 30 percig. Bár a polikristályos MAPbI3 detektorok nagy energiájú monokromatikus szinkrotron sugárzás alatt alacsony előfeszítés mellett mérhető válaszokat adtak, ezek a válaszok csupán a detektorok szinkrotron detektálhatóságát mutatják, és nem teljesen optimalizáltak. További optimalizálással ezek a detektorok sokkal nagyobb SNR-t tudnak felmutatni, amint azt a mikrofókuszú röntgenforrással demonstrálták. E tanulmány jövőbeli iránya a nagy felületű, nagy térbeli felbontású FPXI-k fejlesztésére összpontosít. Ez magában foglalja az érzékelőanyag és a detektorszerkezet optimalizálását, a MAPbI3-ra optimalizált megfelelő pixeles hátlap tervezését és gyártását, valamint e detektorok tesztelését szinkrotron és orvosi képalkotó alkalmazásokhoz.

Monokromatikus 70 keV-os szinkrotronválasz 1200 µm és 200 µm vastagságú MAPbI3 detektorok 50 V-ra előfeszítve. Az Y-tengely nA-ban van megadva, és a mikrofókuszos röntgenválaszokhoz képest sokkal alacsonyabb áramértékeket mutat az alacsonyabb effektív dózisteljesítmények miatt. A szaggatott egyenesek a detektorok átlagos válaszát mutatják a beérkező monokromatikus 70 keV-os szinkrotron röntgensugárzásra.

Összefoglalva, meghatároztuk és validáltuk a polikristályos röntgensugár-detektorok új generációjának útját, amely számos olyan területen alkalmazható, ahol nagy felületű FPXI-kre van szükség, különösen az orvosi és szinkrotron képalkotásban. A MAPbI3-alapú félvezető rétegek nemcsak nagy hatékonyságúak és rendkívül érzékenyek a röntgensugárzásra, a mikrofókuszú röntgenforrással mért 13,5 µCmGy-1 cm-2 érzékenységi értékekkel, hanem könnyen gyárthatók és optimális tokozás esetén hosszú távú alkalmazásokhoz is rendkívül megbízhatóak. Ezek a többrétegű detektorok rendkívül alacsony, ~ 1 nA/cm2 nagyságrendű sötétáramot mutatnak magas, 1 V/µm-es előfeszültség mellett és ~ 150 pA/cm2 nagyságrendű sötétáramot alacsonyabb, 0,25 V/µm-es előfeszültség mellett, ami alkalmas alacsony zajszintű FPXI-k gyártására aktív pixelcsoportos hátlapokon, például a-Si TFT-ken. Ezekkel a detektorokkal különböző teljesítmény- és stabilitási teszteket mutattunk be, beleértve a BNL-ben monokromatikus 70 keV-os szinkrotron sugárzással végzett detektorválasz-teszteket is. Az epoxi-kapszulázott detektorok több mint nyolc hónapig stabil sötétáramot és röntgenérzékenységet mutattak környezeti atmoszférában.