近日，我校材料科學與工程學院清潔能源材料與器件團隊在國際知名學術期刊《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.）發(fā)表了題為“Molecular Ordering in Low-Dimensional Hybrid Perovskites for Improved X-Ray Detection”的研究論文，在線報道了新型鈣鈦礦半導體材料涉及及其在X射線探測應用中的研究成果。

有機-無機雜化鈣鈦礦材料因其可調的結構和帶隙、優(yōu)異的光電性質以及簡便的制造工藝，被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ男滦桶雽w材料之一。這類材料通常由無機金屬鹵化物骨架與有機功能分子按特定堆疊方式構成，其中無機骨架提供了載流子輸運功能，而有機分子則主要作為絕緣的間隔層，起到穩(wěn)定晶體結構的作用。將電活性功能分子應用于鈣鈦礦晶體結構有望顯著提升材料的光電性質，但有機分子排列方式對電荷傳輸的影響機制尚未明晰，這對深入理解并開發(fā)高性能的鈣鈦礦材料帶來了挑戰(zhàn)。

研究團隊將分子有序度的概念應用于鈣鈦礦材料（圖1），通過對萘基及喹啉基分子配位位點的精確調控，設計合成了一系列分子有序度可控的新型一維鈣鈦礦半導體材料，即1-萘胺鉛碘（1-NAPI₃）、5-氨基異喹啉鉛碘（5-AIQPI₄），8-氨基異喹啉鉛碘（8-AIQPI₄）和5-氨基喹啉鉛碘（5-AQPI₄）。其中，1-NAPI₃擁有3個旋轉運動和8個旋轉狀態(tài)的最低有序度，而5-AQPI₄僅具有1個旋轉運動和2個旋轉狀態(tài)的最高有序度。

圖1 華理研究團隊提出的鈣鈦礦分子有序度概念

研究團隊發(fā)現(xiàn)，有機分子結構有序的5-AQPI₄的載流子遷移率-壽命積比無序的1-NAPI₃提升了接近一個數量級，證實了分子有序提高低維鈣鈦礦電荷輸運性能的新機制。借助空間電荷限域電流測試、飛行時間等電學表征及第一性原理計算，發(fā)現(xiàn)了5-AQPI₄晶體[011]取向上陽離子間具有強烈的π-π堆疊，形成了高效的電荷載流子傳輸通道，同時有序分子抑制了離子遷移行為，解耦了電荷載流子和離子的傳輸。基于上述傳輸特點，研究團隊將5-AQPI₄晶體構建的[011]取向探測器件用于X射線探測應用，在5000 V cm^-1的高工作電場下穩(wěn)定工作，并實現(xiàn)了8.25×10⁵ μC Gy_air^-1 cm^-2的靈敏度和低至1.15 nGy_airs^-1的探測極限。上述工作為探索新型低維鈣鈦礦半導體材料、進一步協(xié)同提高鈣鈦礦材料在X射線探測應用中的性能和穩(wěn)定性提供了新思路。

該研究工作以華東理工大學為唯一通訊單位。我校材料科學與工程學院侯宇教授、楊化桂教授和楊雙教授為本論文的通訊作者，碩士研究生曾思涵為本論文的第一作者。研究工作得到國家自然科學基金、上海市基礎研究特區(qū)等項目的資助。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202506973