2022年7月18日，《自然•光子学》杂志（Nature Photonics, IF＝39.73）在线发表我院姚凯副教授团队与吉林大学等单位的合作研究论文“Synergistic strain engineering of perovskite single crystals for highly stable and sensitive X-ray detectors with low-bias imaging and monitoring”(doi: 10.1038/s41566-022-01024-9)。该研究工作提出了协同作用下的钙钛矿组分优化方案以调控单晶材料中的缺陷态密度，合成并制作出的单晶探测器具有优异的X射线探测性能、高分辨的成像质量和长期的工作稳定性，并在低电压驱动条件下，展示出了灵敏的环境监测能力和高性能成像水平。

该研究工作由吉林大学、南昌大学、香港理工大学、瑞典林雪平大学等国内外多个课题组紧密合作完成，南昌大学第二通讯单位，物理与材料学院2018级硕士研究生熊敏（姚凯副教授指导）为论文共同第一作者，姚凯副教授为共同通讯作者，我校周浪教授和费林峰教授等多位师生也参与了本工作。这是我校首次以通讯单位在《自然•光子学》上刊登研究成果。该研究工作获得国家自然科学基金、江西省杰出青年科学基金等课题资助。

钙钛矿材料是一种结构式为ABX₃的光电活性材料，具有优异的载流子输运特性、低成本的制备工艺等特点，在光伏、发光以及探测等领域展示出了强劲的发展态势。凭借着带隙可调、载流子寿命长和辐射吸收系数大等诸多优势，卤化钙钛矿晶体材料在提升辐射探测器性能上也被寄予厚望，直接探测成像的工作方式也可以有效解决传统闪烁体成像带来的余辉等问题。相比于多晶薄膜材料，单晶材料被证明具有低陷阱密度和迁移率高的优点，是构建高性能光电器件的理想材料。目前基于甲胺体系的单晶钙钛矿材料研究最为广泛，但甲胺的易挥发性导致钙钛矿单晶器件长期稳定性差。而大多数无甲胺钙钛矿单晶材料（如CsFA体系，FA为甲脒）在光电性能方面却远不如甲胺体系钙钛矿，主要原因是混合阳离子材料体系具有高的缺陷态密度，这阻碍了此类材料的市场化应用进程。

研究团队展示了一种A位和B位协同作用下的组分调控方案，实现对不同类型缺陷形成能的精准调控。一方面，在A位引入特定的大有机胺阳离子，通过形成氢键可以有效地提高卤素（X位）空位的形成能；另一方面，在B位阳离子中引入低浓度的碱土金属离子掺杂剂，可以有效抑制A位无序排列引起的微应力副作用。通过理论计算、晶体结构表征以及器件性能分析等角度研究了A位和B位协同作用下的钙钛矿（ABX₃）组分优化方案在提升非甲胺基钙钛矿单晶的光电性能和稳定性方面的作用机理。基于该方案制备的无甲胺钙钛矿单晶器件具有优异的探测性能，在低至1 V cm^-1电场下获得高达2.7 × 10⁴ µC Gy_air^-1 cm^-2的灵敏度以及低至7.09 nGy_air s^-1的检测下限，尤其是近半年的稳定性证明了A位和B位协同作用在提升非甲胺体系钙钛矿单晶性能和稳定性方面的巨大应用潜力。此外，高质量的钙钛矿单晶器件在低偏压下具备良好的辐射探测性能的潜力，能够满足未来移动便携式等应用场景的需求。

姚凯，博士，副教授，2014年南昌大学与美国华盛顿大学联合培养博士，2016年获香江学者计划资助赴香港理工从事科研工作，现于南昌大学光伏研究院独立开展新型光电材料及其器件的应用研究。前期相关工作在Joule（Cell能源系列子刊），Advanced Materials，Advanced Energy Materials，ACS Nano等国际权威刊物上发表论文30余篇，被引用总次数2600余次。

全文链接: https://www.nature.com/articles/s41566-022-01024-9