Naast de efficiëntie en gevoeligheid van de röntgendetectoren is de donkerstroomdichtheid een fundamenteel belangrijke factor voor de goede werking van de uitleesmatrix waarop de halidesensorlaag wordt afgezet. Bijna alle detectoren op basis van MAPbI3 hebben een zeer hoge lekstroom als gevolg van de relatief lagere MAPbI3-bandkloof. Om dit probleem aan te pakken, hebben we ons gericht op het minimaliseren van de donkere stroom van de MAPbI3-gebaseerde detectoren met herhaalbare resultaten met behoud van een hoge röntgengevoeligheid. Tabel 1 geeft een overzicht van de prestaties van de MAPbI3-gebaseerde detector configuraties. Tabel S1 toont schematisch de detector configuraties. Figuur S1 toont de legenda voor de verschillende lagen die in elke configuratie zijn opgenomen. Twee soorten polymeren (polymeren A en B in figuur S1) werden gebruikt om de ladingstransporterende lagen te fabriceren. MAPbI3 detectoren met verschillende sensor diktes werden gefabriceerd in deze studie. De dikte varieerde van 200 tot 1400 µm. Een SEM-beeld van een typische MAPbI3-laag wordt getoond in supplementair figuur S2. Figuren S3 en S4 tonen de röntgenstraling karakterisering setups gebruikt in deze studie. Meer details over deze opstellingen worden gegeven in “Methoden” sectie. De karakterisering experimenten werden gestart met een MAPbI3-gebaseerde sensor zonder extra lading manipulerende lagen, dat wil zeggen, de MAPbI3 laag werd direct bevooroordeeld van beide kanten. In de daaropvolgende stappen werden de ladingsregulerende lagen toegevoegd tussen de MAPbI3-sensor en de elektrische contacten. In totaal werden 16 configuraties getest, en de meest veelbelovende zes configuraties worden getoond in tabel 1.

De typische donkere stromen bij een elektrisch veld van 0,08 V/µm voor elke configuratie wordt ook getoond in de tabel. Figuur 3 toont de stroom-spanningskarakteristieken van de detectoren voor elke configuratie. Zoals verwacht, is een zeer hoge lekstroom te zien in configuratie 1 als gevolg van de lagere MAPbI3 bandgap. De basislijn van de donkere stroom voor de configuraties 1-3 was onstabiel en leverde dus een inferieure detectorstabiliteit op. De laagste donkerstroom werd verkregen met een enkele laag polymeer B tussen de MAPbI3 halfgeleiderlaag en het contact (configuratie 6). Bij 0,083 V/µm bias werd een donkere stroom van 1,29 × 10-6 mA/cm2 gemeten. Vijf van deze detectoren werden ingekapseld met een optische epoxy en gedurende 240 dagen onder voorspanning gezet. De donkere stroom basislijn van de detectoren was stabiel onder constante bias spanning, en in feite, de donkere stroom daalde tot ~ 2,5 × 10-7 mA / cm 2 meer dan 240 dagen. De variaties in de gevoeligheid van de MAPbI3 detector was minder dan ± 2%. X-ray respons gegevens voor een van deze detectoren is weergegeven in supplementaire figuur S5. Anderzijds, na langdurige bias (~ 2 dagen), de basislijn van alle andere apparaten met configuraties 4 en 5 begon een aanzienlijke hoeveelheid ruis vertonen met maximaal een twee-voudige toename van de donkere stroom. De inkapseling die voor al deze detectoren werd gebruikt, was niet volledig geoptimaliseerd. Interactie met vocht en zuurstof leidt tot emanatie van de organische species uit de MAPbI3-matrix, waardoor deze Pb-rijk blijft, hetgeen de fotorespons van deze detectoren verslechtert34,37. Hermetische inkapseling is essentieel voor het langdurig functioneren van deze detectoren en is nog steeds een cruciale uitdaging voor perovskietmaterialen die momenteel voor verschillende toepassingen worden ontwikkeld34,38. Verschillende kation en anion doping regelingen zijn voorgesteld om dit stabiliteitsprobleem te verlichten en kan worden gebruikt om deze röntgendetectoren te stabiliseren voor lange-termijn toepassingen onder omgevingsatmosferen39,40,41. Toekomstige studies zullen worden uitgevoerd op het optimaliseren van dergelijke detectoren voor lange-termijn röntgendetectie toepassingen.

Stroomdichtheid versus spanning plot voor detector configuraties 1 tot en met 6. Zie tabel 1 voor de details van de röntgendetectorconfiguraties.

De röntgengevoeligheid van de detectoren werd gekarakteriseerd met behulp van de in figuur S3 getoonde opstelling. De detector-naar-bron afstand werd constant gehouden op ongeveer 20 cm. De detectoren vervaardigd met behulp van configuraties 1 tot en met 5 aangetoond hoge gevoeligheden tot 17 µC mGy-1 cm-2 bij een elektrisch veld van 0,08 V/µm. Wegens het gebrek aan stabiliteit van de detectoren en de slechte reproduceerbaarheid hebben wij ons onderzoek echter geconcentreerd op configuratie 6. De gevoeligheidswaarden voor de 1200 µm dikke detector bedroegen 1,9-7,5 µCmGy-1 cm-2 voor 0,041-0,16 V/µm toegepaste bias. Voor de detector met een dikte van 200 µm bedroegen de gevoeligheidswaarden 7,5-13,5 µCmGy-1 cm-2 voor 0,25-0,5 V/µm toegepaste voorspanning. Beide detectoren werden getest bij 90 kV met 85 µA buisstroom. Een vergelijking van de gevoeligheidswaarden voor detectoren met verschillende diktes is gegeven in Fig. 4. Hier is te zien dat de gevoeligheid toeneemt naarmate de toegepaste bias toeneemt. Ook vertonen dunnere detectoren bij gelijke elektrische velden een hogere gevoeligheid, hetgeen de effecten van ladingsval in de dikkere detectoren aantoont. De grafiek toont ook de lagere efficiëntie van de 200 µm detector in vergelijking met de 600 en 1200 µm detectoren. Figuren 5 en 6 tonen de lineariteit met betrekking tot de inkomende röntgenenergie en de röntgenbelichtingssnelheid van de 1200 µm- en 200 µm-dikke detectoren, respectievelijk. Zoals kan worden gezien, de X-ray respons van zowel deze detectoren zijn lineair en toont dus de haalbaarheid van lineaire X-ray respons van MAPbI3-gebaseerde detectoren.

Genormaliseerde X-ray gevoeligheid van MAPbI3 detectoren met verschillende diktes zoals gemeten met behulp van de microfocus röntgenbron set up. Let op de effecten van trapping in de dikkere detectoren en de lagere efficiëntie van de dunnere detectoren.

Röntgenresponsie van de 1200 µm dikke MAPbI3-detector met een bias van 0,042 V/µm. De hoogste blootstellingsdosering bedraagt 3,8 µGy/s.

Respons op röntgenstraling van de 200 µm dikke MAPbI3-detector met een voorspanning van 0,25 V/µm. De hoogste blootstellingsdosesnelheid is 3,8 µGy/s. De foutwaarden in de Y-assen zijn beperkt tot 8,4 × 10-11 nA/cm2. De foutbalkjes in deze gegevens zijn niet zichtbaar in de plot.

Figuur 7 toont de respons van de 1200 µm- en 200 µm-dikke detectoren bij hetzelfde wattage. Hieruit blijkt opnieuw de zeer lineaire en uniforme respons van twee afzonderlijke detectoren. Zoals verwacht werden in de dikkere detector grotere polarisatie-effecten waargenomen. Figuur 8 toont het verschil in polarisatie van de detectoren die bij verschillende bias-spanningen worden belast. Het is duidelijk dat hogere bias spanningen resulteren in polarisatie effecten, zichtbaar als een verval van het signaal na de initiële signaalstijging. Het langdurige polarisatie-effect verdwijnt rond 0,5 V/µm toegepaste bias, terwijl de snelle polarisatie verdwijnt bij 0,2 V/µm. Figuur 9 toont de neergaande flank van de 200 µm dikke MAPbI3 detector na het uitschakelen van de röntgenbuis. De ladingsval in de bulk draagt bij aan de vervalvertraging in deze detectoren. De lagere vervalvertraging in deze detectoren in vergelijking met andere polykristallijne halfgeleiders zoals a-Se is te wijten aan de aanwezigheid van ondiepe defecten in de MAPbI3-kristallieten42. Diepere defecten resulteren in langere vervaltijden, waardoor de vervalvertraging toeneemt. Een andere factor die bijdraagt tot deze vertraging is de vertraging in de ladingsinjectie door het verhoogde elektrische veld dat wordt opgewekt door de röntgenverlichting aan de contactelektroden en de barrièrelaag (zoals de polymeer B-laag in configuratie 6).

Röntgenrespons van de 1200 µm- en 200 µm-dikke MAPbI3-detector met een bias van respectievelijk 0,042 V/µm en 0,25 V/µm.

Polarisatie-effect aan de opgaande rand van de röntgen-respons in de 200 µm dikke MAPbI3-detector bij hogere vooringestelde spanningen.

De neergaande flank van de röntgen-respons vertoont een lage verval-vertraging in de 200 µm dikke MAPbI3-detectoren bij alle spanningen.

We hebben ook de mobiliteits-levensduur karakteristieken van MAPbI3 detectoren geschat met behulp van de klassieke Hecht-vergelijking en verkregen mobiliteits-levensduur waarden in de orde van ~ 10-4 cm2/V. Figuur 10 toont de gegevens voor een van deze detectoren. Het is duidelijk dat deze detectoren uitstekende ladingsdragereigenschappen bezitten en mogelijk het best presterende sensormateriaal kunnen worden voor de directe detectie van röntgenstraling met hogere energie.

Berekeningen van de mobiliteits-levenstijd voor detectoren met een dikte van 200 µm.

De prestaties van detectoren van 1200 µm en 200 µm dikte werden ook getest op de NSLS II XPD-beamlijn in het Brookhaven National Laboratory (BNL), figuur S4. De veiligheidsvoorschriften van de BNL-bundellijn beperkten de toegestane spanning voor nieuwe apparatuur (zoals de röntgendetector) die in de ruimte van de bundellijn werd gebruikt, wat op zijn beurt het maximale elektrische veld beperkte tot 0,25 V/µm. Bovendien waren deze detectoren niet hermetisch ingekapseld en werden zij drie dagen lang aan een omgevingsatmosfeer blootgesteld voordat zij op de NSLS-II bundellijn van het BNL werden getest. Figuur 11 toont de reactie van deze detectoren onder een monochromatische 70 keV synchrotron röntgenstraling gedurende meer dan 30 min. Hoewel polykristallijne MAPbI3 detectoren meetbare respons gaven onder hoge energie monochromatische synchrotronstraling bij een lage toegepaste bias, geven deze responsen slechts de haalbaarheid van deze detectoren voor synchrotron detectie weer en zijn niet volledig geoptimaliseerd. Met verdere optimalisatie hebben deze detectoren het potentieel om een veel hogere SNR aan te tonen, zoals aangetoond met de microfocus röntgenbron. De toekomstige richting van dit onderzoek zal gericht zijn op de ontwikkeling van FPXI’s met hoge ruimtelijke resolutie voor grote oppervlakken. Dit omvat optimalisatie van het sensormateriaal en de detectorstructuur, ontwerp en fabricage van een geschikte gepixelde backplane geoptimaliseerd voor MAPbI3, en het testen van deze detectoren voor synchrotron- en medische beeldvormingstoepassingen.

Monochromatische 70 keV synchrotronrespons van 1200 µm en 200 µm dikke MAPbI3-detectoren met een bias van 50 V. De Y-as is in nA en toont veel lagere stroomwaarden in vergelijking met microfocus röntgenrespons ten gevolge van de lagere effectieve dosistempo’s. De gestippelde rechte lijnen tonen de gemiddelde respons van de detectoren op de inkomende monochromatische 70 keV synchrotron X-rays.

Tot slot hebben we vastgesteld en gevalideerd de weg vooruit voor een nieuwe generatie polykristallijne röntgendetectoren die toepassingen hebben in tal van gebieden die een groot gebied FPXI’s nodig hebben, met name in de medische en synchrotron beeldvorming. Niet alleen zijn op MAPbI3 gebaseerde halfgeleidende lagen zeer efficiënt en zeer gevoelig voor röntgenstraling met gevoeligheidswaarden tot 13,5 µCmGy-1 cm-2 zoals gemeten met een microfocus röntgenbron, maar ze zijn ook gemakkelijk fabriceerbaar en zeer betrouwbaar voor toepassingen op lange termijn wanneer ze optimaal zijn ingekapseld. Deze multi-layered detectoren vertonen extreem lage dark currents in het bereik van ~ 1 nA / cm 2 onder een hoge bias spanning van 1 V / cm en ~ 150 pA / cm 2 onder een lagere bias spanning van 0,25 V / cm, geschikt voor de fabricage van lage ruis FPXI’s op actieve pixel array backplanes zoals a-Si TFTs. Wij hebben een reeks prestatie- en stabiliteitstests met deze detectoren gedemonstreerd, waaronder detectorresponsietests met monochromatische 70 keV synchrotronstraling bij BNL. De epoxy-ingekapselde detectoren vertoonden ook een stabiele donkerstroom en röntgendetectiegevoeligheid gedurende meer dan acht maanden in een omgevingsatmosfeer.