钙钛矿材料因其光电性质优异，在光电子领域引起科研工作者极大兴趣。钙钛矿单晶的空气稳定性好，适合器件的长期应用。其低温溶液制备法，具有制备方法简单、成本可控、器件集成复杂度低等优点。全无机钙钛矿材料CsPbBr₃因其出色的热稳定性而备受关注，但其溶液法制备过程中存在CsBr和PbBr₂在单一溶剂中的溶解度不同，副产物多且无规律的问题，这可能阻碍其大规模商业化应用。西安电子科技大学郝跃院士和常晶晶教授团队以及陕西师范大学赵奎教授进行了全无机钙钛矿单晶生长调控的研究，晶体生长采用低温溶液蒸发法，通过调节溶液所处环境的湿度，得到不同的全无机钙钛矿单晶。同时，揭示了在室温下由湿度引起的从三维立方CsPbBr₃向二维层状四方CsPb₂Br₅的相变过程及机理。

图1. 低温溶液蒸发法在不同湿度条件下获得的无机钙钛矿单晶及XRD分析

研究表明，在低湿度条件下（RH ~ 20%），趋向于生长条状的立方相CsPbBr₃单晶，而在高湿度条件下（RH ~ 60%），生长则趋向于平面型的正交晶系CsPbBr₃单晶。进一步增加环境湿度（RH ˃ 80%），溶液中生长出透明的CsPb₂Br₅单晶。在高湿度条件下，立方CsPbBr₃会逐渐变为正交CsPbBr₃，说明在不控制湿度的情况下，CsPbBr₃在常温下以正交相形式存在更为稳定。

图2 . 晶体生长过程中形成能以及相变势垒的DFT计算

第一性原理计算表明H₂O的存在极大的降低了CsPbBr₃的形成能，溶液中晶体更容易形成正交相CsPbBr₃。立方相CsPbBr₃向正交相转变的相变势垒，在H₂O的作用下，从0.78 eV降低为0.08 eV，意味着转变可以在常温下进行。而当H₂O参与CsPbBr₃向CsPb₂Br₅转变时，相变势垒会降低到0.03 eV。采用常温下更为稳定的正交相CsPbBr₃制备平面型X射线探测器，器件在晶体厚度达到1.7 mm，对X射线的吸收可以达到99%，其在不同剂量值下具有较好的开关特性，探测限低至1.89 μGy_air·s^-1及大剂量值下多次开关的稳定性好。该湿度控制的单晶生长方法实现了高质量不同相的CsPbBr₃单晶生长，同时揭示其内部相变机理，对全无机钙钛矿材料的制备及器件应用提供了新的思路。

图3. 材料表征及不同晶体的SEM图

图4. 正交相CsPbBr₃单晶x射线探测器在不同剂量值下的开关，探测限及大剂量值下的多次开关

该研究成果以“Reveal the Humidity Effect on the Phase Pure CsPbBr₃ Single Crystals Formation at Room Temperature and Its Application for Ultrahigh Sensitive X-ray Detector”为题，以Research Article形式，发表于国际顶级综合性期刊《Advanced Science》（中科院分区1区，影响因子16.806）上。该成果由西安电子科技大学郝跃院士团队常晶晶教授作为论文通讯作者并发表，第一作者为博士生狄佳钰。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、陕西省重点研发计划等科研项目的资助。