Improved Carrier Transport and Enhanced Stability through Defect Reduction via Zn 2+ Doping in 0D Hybrid Manganese Halides for X-ray Detectors

材料科学 卤化物 兴奋剂 探测器 离子键合 载流子 光电子学 密度泛函理论 检出限 锰 灵敏度(控制系统) 电子迁移率 离子 纳米技术 粒子探测器 还原(数学) 纳米颗粒 宽禁带半导体 电解质 联轴节(管道) 表征(材料科学) 工作(物理) 无机化学 电荷(物理) 镓
作者
Faguang Zhou,Guoqiang Peng,ZhenHua Li,Zhiwen Jin,Qian Wang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:18 (6): 10076-10086
标识
DOI:10.1021/acsami.5c23839
摘要

Zero-dimensional (0D) organic-inorganic hybrid manganese halides (OIHMnHs) have attracted attention in direct X-ray detection due to their low ionic mobility and high stability. However, the carrier transport and collection in 0D OIHMnHs are restricted by the isolated inorganic polyhedra, limiting their application in high-performance X-ray detectors. Accordingly, optimizing carrier transport properties to achieve high-performance 0D OIHMnH X-ray detectors remains both critically important and challenging. Herein, Zn2+ doping is implemented in 0D TMG2MnBr4 to synthesize TMG2Mn0.93Zn0.07Br4 and TMG2ZnBr4 (TMG = 1,1,3,3-tetramethylguanidine) single crystals. Density functional theory calculations indicate that the A-site cation dominates the conduction band minimum (CBM), forming multidimensional carrier transport pathways between inorganic polyhedra and organic cations. Zn2+ doped in the B site further strengthens cation-anion coupling interactions, suppresses ion migration, reduces defects, and improves charge extraction and transport. The resulting TMG2Mn0.93Zn0.07Br4 SC X-ray detector achieves a μτ product of 1.15 × 10-3 cm2 V-1, a sensitivity of 8017 μC Gyair-1 cm-2, a detection limit of 63.8 nGyair s-1, stable operation, and the demonstration of high-resolution X-ray imaging. This work provides a foundation for developing eco-friendly X-ray detectors with high sensitivity and low-dose detection capabilities for medical imaging and radiation detection applications.
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