介电工程实现二维钙钛矿闪烁体亚纳秒发光

       钙钛矿材料在超快与高光产额闪烁体的相关领域中展现出巨大的应用潜力，然而其衰减时间无法加速至亚纳秒，使其在如高速 X 射线成像、基于飞行时间（TOF）的断层扫描或粒子辨别、同步辐射设备的时间分辨率测量等亚纳秒时间量级的探测应用受限。本文提出一种合理的设计策略，即通过增大有机胺和 Pb-Br 八面体发射体在二维有机-无机杂化钙钛矿（OIHP）中的介电差异来缩短闪烁体衰减时间。在 [PbBr6]2-层之间插入介电常数低的苯并咪唑（BM），使二维 OIHP BM2PbBr4具有高的激子结合能（360.3±4.8）meV。其衰减时间（0.97 ns）是所有钙钛矿材料中最快的。此外，该材料的光产额为 3190 photons/MeV，远优于传统超快闪烁体BaF2（1500 photons/MeV），其最佳理论符合时间分辨率（CTR）为 65.1 ps，仅为参比样品 LYSO（141.3 ps）的一半。BM2PbBr4 具有超快衰减时间和较高光产额，因此在 γ射线、中子、α 粒子检测方面有出色表现。能实现亚纳秒发光且具有较高光产额的新型高性能超快闪烁体在高速 X 射线成像、正电子发射断层扫描（PET）、同步辐射设备定时分辨率测量等领域中有巨大的应用需求。钙钛矿材料作为新型辐射闪烁体，能展现出极高的发展潜力，但其衰减时间仍无法加速至亚纳秒级别。

       近期，华中科技大学牛广达教授研究团队针对二维钙钛矿提出一种介电工程的优化策略，通过提高有机配体和铅卤八面体的介电差异增强激子束缚，增加电子与空穴的重叠，从而提高辐射跃迁速率。文中所制备的二维 BM2PbBr4 单晶表现出（360.3±4.8）meV 的高激子结合能，0.97 ns 的超快闪烁衰减时间和 3190  photons/MeV 的高光产额，其理论最佳符合时间分辨率为 65.1 ps，是当前商用快衰减闪烁体硅酸钇镥（LYSO）的一半。相关研究成果以“Sub-nanosecond two-dimensional perovskite scintillators by dielectric engineering”为题发表在《Advanced Materials 》上。（郑佳慧）

      文章链接：M. L. Xia, Z. X. Xie, H. Q. Wang, et al. Sub-nanosecond two-dimensional perovskite scintillators by dielectric engineering.Adv. Mater., 2023, e2211769. DOI: 10.1002/adma.202211769