近日，山东大学前沿交叉科学青岛研究院刘董、陈耀合作团队在新型空间X射线探测材料与器件研究方面取得新进展，成功合成了钕掺杂甲胺铅溴钙钛矿(Nd-MAPbBr3)单晶，展现出良好的X射线耐辐照耐受性。相关成果以“Exploration of Nd-Doped MAPbBr3 Single Crystals for Potential Space X-Ray Detection”为题，在线发表于国际期刊ACS Applied Optical Materials。山东大学为本研究的第一作者及通讯作者单位，合作者包括中国科学院王浩、山东大学武中臣等。
高性能空间X射线探测器研发极具挑战，器件需要同时满足高抗辐照、长期稳定和高灵敏度的严苛指标。传统半导体X射线探测器面临辐照诱导性能衰退、工作电压高以及制备工艺复杂等局限，难以适应低成本、规模化的商业航天需求。近年来，MAPbBr3钙钛矿凭借优异的光电性能、较高的X射线吸收能力以及低廉的制备成本，成为新型空间光电探测器件的候选材料。然而，钙钛矿在空间环境下的长期稳定性是制约其应用的关键瓶颈。已有研究表明，稀土Nd3+独特的电子构型和适配的离子半径，能够有效稳定MAPbBr3晶格结构并抑制缺陷诱导性能衰减。但上述研究多集中在多晶薄膜器件，Nd3+掺杂MAPbBr3单晶的生长及其空间X射线探测器的辐照耐受性研究，仍属空白。
为此，该团队提出了通过稀土Nd3+掺杂提升MAPbBr3钙钛矿单晶稳定性的新策略，通过改进结晶方法成功合成了Nd-MAPbBr3单晶。基于该单晶制备的Nd-MAPbBr3空间X射线探测元件，在20 V cm-1低电场下表现出良好的线性响应，最高灵敏度达到162.64 μC Gy-1 cm-2，最低检测限低至4 μGy s-1，综合性能远超商用探测器。为验证其空间应用潜力，团队模拟了400 km低地球轨道的X射线辐照环境，对未封装器件开展累积辐照测试。结果表明，当X射线累积辐照剂量达到320 mGy时，Nd-MAPbBr3探测元件灵敏度实现小幅提升。上述结果说明，Nd-MAPbBr3在低成本、低功耗、高灵敏、耐辐照的空间X射线探测领域具有巨大应用潜力。
刘董、陈耀合作团队在钙钛矿晶体生长、光电器件制作和空间模拟环境测试等领域开展学科交叉研究，研究成果先后发表于Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上。相关研究工作得到了国家自然科学基金、山东省博士后创新基金等项目的资助。
