• 【导读】

开发性能优异的光子计数探测器(PCD)将推动光探测和测距、辐射谱学、量子光学等领域的发展。目前商用的硅光电倍增管(SiPMs)已经实现了低偏压下较高的光探测效率，在器件的小型化和紧凑化设计上也取得了长足的进步。然而，SiPMs探测器受限于硅自身较窄的带隙，导致其具有较大的暗计数率(DCR)，这大大限制了它的应用。因此，开发具有低DCR的PCD是目前研究的热点。

• 【成果掠影】

近日，美国北卡罗莱纳大学黄劲松团队在Nature上发表了新的研究论文，通过消除钙钛矿材料中的浅能级陷阱，制备了具有极低DCR的自供电钙钛矿PCD。在本研究中，为避免SiPMs中由于硅禁带宽度较小所带来的大DCR，作者选取了具有合适禁带宽度的钙钛矿(MAPbI₃，FA_0.7MA_0.3PbI₃，禁带宽度>1.5 eV)材料做为PCD的组成部分。作者通过系统的光谱研究探明了钙钛矿PCD的DCR起源于分布在晶界和表面处的两种浅能级缺陷束缚的载流子的释放。在此基础上，作者通过增大晶粒尺寸和表面钝化两种手段基本消除了这两种缺陷，将室温下的DCR由>23000 cps/mm²减低至2 cps/mm²，从而获得了极佳的弱光探测效率。值得强调的是，将钙钛矿PCD与闪烁体相结合所制备的γ射线探测器在室温可获得比商用SiPMs更高的能量分辨率，且其性能可以在85 ^oC下保持稳定。相关研究文章以“Self-powered perovskite photon-counting detectors”为题发表在Nature上。

• 【核心创新点】

通过增加晶粒尺寸和表面钝化排除浅能级缺陷，从而获得了高效、低暗计数率的钙钛矿光子计数探测器。

• 【数据概览】

图1 暗计数起源和光子计数性能 ©2023 Springer Nature

图2  抑制钙钛矿PCD的DCR ©2023 Springer Nature

图3 钙钛矿探测器光子计数性能 ©2023 Springer Nature

图4 钙钛矿PCD和LaBr₃:Ce闪烁体耦合探测γ射线 ©2023 Springer Nature

图5 钙钛矿PCD的稳定性测试 ©2023 Springer Nature

• 【成果启示】

综上，通过对钙钛矿缺陷的钝化显著降低了光子计数探测器暗计数率，这为构建新型光子计数探测器提供了新的思路。为真正实现钙钛矿光子计数探测器的商用应用，进一步实现探测器的集成是未来研究重点之一。

原文详情：Self-powered Perovskite Photon-counting Detectors, Nature, 2023,

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05847-6