X/γ 射线探测在医学成像、非破坏检测、安全检查和放射性同位素鉴定等应用中至关重要。近年来，铅卤钙钛矿作为新兴闪烁材料备受关注，但其激子发光斯托克斯位移很小，自吸收问题严重，严重影响了其在高能X/γ 射线探测领域的应用。为解决自吸收问题，人们尝试了限域激子发光和掺杂剂等策略。然而，这些方法会显著延长发光寿命，限制了其在CT成像和时间飞行 γ 射线探测等方面的应用。因此，开发既能抑制自吸收又能保持快速发光衰减的钙钛矿闪烁体仍然面临着重大挑战。

近日，武汉光电国家研究中心牛广达教授与集成电路学院薛堪豪教授合作发现二维钙钛矿晶体普遍存在内在应变现象，可以在不影响发光寿命的情况下，减少自吸收效应，从而得到高光产额。尽管应变效应已在二维钙钛矿单晶和薄膜中被广泛观察到，但其结构起源尚不清晰，且在闪烁体中的潜在益处尚未研究。因此，团队研究了一组具有良好量子和介电限域效应的二维钙钛矿单晶。通过掠入射X射线衍射测量，团队发现晶体表面存在压缩应变。X射线光电子能谱和理论计算表明，表面胺基缺失是引起压缩应变的结构起因。瞬态光致发光光谱研究明确揭示了从表面到体相的快速能量转移过程，为实现“自移波”和快速发光寿命奠定了基础。研究团队成功将这种“自移波”的二维钙钛矿闪烁体应用于高能 γ 射线探测，得到了38800光子/MeV的高光产额和119±3ps的符合时间分辨率，优于传统的硅酸钇镥闪烁体（LYSO，33200光子/MeV,179±2ps），并首次实现了二维钙钛矿在正电子发射断层扫描中的图像重建应用展示。

图1. 钙钛矿闪烁体性能总结和自移波示意图

图2. 二维钙钛矿的单晶X射线衍射图、光致发光和辐射发光性能比较

图3. 二维钙钛矿表面与内部之间的Förster共振能量转移过程

图4. 二维钙钛矿表面和内部的结构畸变表征和理论研究

图5 二维钙钛矿的 γ 射线探测性能与正电子发射断层扫描成像结果

近日，《自然·通讯》在线刊发了相关研究成果《Self-wavelength Shifting in Two-dimensional Perovskite for Sensitive and Fast Gamma-ray Detection》。该研究工作的第一完成单位是华中科技大学武汉光电国家研究中心和光学与电子信息学院。该项研究工作得到了科技部重点研发计划智能传感器专项、国家自然科学基金项目、博士后创新人才支持计划项目、中国博士后科学基金项目、湖北省自然科学基金项目、深圳市基础研究计划、华中科技大学HCP计划和国家创新科技基金项目的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38545-y