近日，工程热物理研究所林尚超副教授课题组通过高原子序数元素掺杂与能带匹配异质结构协同设计，提升了基于钙钛矿单晶的中子探测器灵敏度，实现了高性能、低噪声的直接辐射探测器件。研究成果“Ultra-Sensitive Neutron Detection Using Hybrid Perovskite Single Crystals With High-Z Doping and Band-Aligned Heterostructure”发表在Advanced Functional Materials上。硕士研究生蒋凌志、林尚超副教授为论文共同第一作者，林尚超副教授为通讯作者，研究得到了上海市计量测试技术研究院电离辐射研究室的支持。
中子探测在核安全监测、核能利用、医疗成像以及空间辐射探测等领域具有重要应用价值。然而，由于中子本身不带电，其与物质的直接相互作用较弱，传统中子探测器通常需要借助转换材料产生带电二次粒子才能实现信号读出，这在一定程度上限制了器件的灵敏度和集成化发展。因此，开发新型高灵敏度、低功耗、可集成化的中子探测材料与器件结构成为当前辐射探测领域的重要研究方向。近年来，卤化物钙钛矿材料因其优异的载流子输运性能、可调带隙以及高原子序数元素组成，在辐射探测领域展现出巨大潜力，但在中子探测方面的性能仍有待进一步提升。
钙钛矿基探测器设计的中子输运蒙特卡罗模拟
针对这一问题，研究团队提出了一种“高Z元素掺杂+能带匹配异质结构”的协同策略，以增强中子转换后的次级粒子与材料之间的相互作用，并提高电荷收集效率。通过蒙特卡洛中子输运模拟分析发现，针对快中子252Cf源，经过聚乙烯慢化层后，会产生大量热中子（具有与中子转换层BN更高的反应截面，生成更多的次级粒子），同时引入高原子序数元素可显著增强二次粒子（主要为α粒子）在钙钛矿晶体中的能量沉积，从而提高辐射诱导信号强度。
原始和BiI3掺杂MAPbBr3的DFT计算
不同结构钙钛矿基中子探测器器件的光电响应
结合第一性原理计算，研究表明在钙钛矿MAPbBr3晶体中引入BiI3掺杂不仅能够增加二次粒子的能量沉积，同时还能调节材料能带结构并优化载流子输运性质，为高灵敏探测提供了材料基础。在实验方面，研究团队采用逆温结晶法制备了不同BiI3掺杂浓度的高质量MAPbBr3单晶，并构建了能带匹配的异质结构器件。通过合理选择载流子传输层，实现了更高效的电荷分离与收集能力。器件在光电响应测试中表现出显著增强的光响应以及较低的暗噪声水平，开关电流比超过1000，显示出优异的信噪比特性。
中子探测性能和基准比较
在实际中子辐射测试中，研究团队使用252Cf中子源对器件性能进行了评估。结果表明，与未掺杂器件相比，BiI3掺杂器件的中子诱导电流显著提高，从约50 p A提升至1000 p A以上。在仅15 V偏压条件下，器件的中子探测灵敏度达到10-2 p A·(n·cm-2·s-1)-1，相比已有的钙钛矿中子探测器以及多数电流响应型中子探测器提高了1—2个数量级。结果表明，通过材料掺杂与器件结构设计的协同优化，可有效提升钙钛矿辐射探测器的综合性能。
研究为钙钛矿材料在中子探测领域的应用提供了新的设计思路，同时也为开发高灵敏、低功耗的新一代辐射探测器奠定了基础。该策略有望拓展至其他辐射探测材料体系，并在核安全监测和空间探测等领域发挥重要作用。
该研究工作得到了国家自然科学基金、国家电投—上海交大“未来能源计划”联合基金等项目的支持。
林尚超副教授课题组长期致力于功能材料与能源器件研究，在辐射探测材料、热电材料以及能量转换器件等方向开展了系统研究。近年来在Advanced Functional Materials、Science Advances等期刊发表研究成果。
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202521378
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