Though CsPbBr3 single crystals (SCs) possess intriguing photoelectronic properties for x/γ-ray detection, the serious ion migration and high thermally activated carrier concentration at room temperature (RT), typically associated with defect states in CsPbBr3 crystals, result in a high dark current and drift of baseline, hindering their potential applications. In this investigation, liquid nitrogen cooling is proposed to freeze deep-level defects in CsPbBr3 SCs, thereby suppressing the ion migrations and decreasing the thermally excited carrier concentration. Utilizing photoluminescence (PL) and time-resolved PL spectra, coupled with theoretical models for photoexcitation and photoemission processes, the freezing of deep-level defects at liquid nitrogen temperature (LNT) is confirmed, which is conducive to decreasing non-radiative recombination. At LNT, the CsPbBr3 SC exhibits a higher resistivity of 4.95 × 1011 Ω cm and a higher mobility–lifetime product of 9.54 × 10−3 cm2 V−1, in contrast to the RT values of 3.86 × 109 Ω cm and 3.67 × 10−3 cm2 V−1, respectively. Furthermore, the x-ray detector at LNT exhibits a high sensitivity of 9309 μC Gyair−1 cm−2 and an impressively low detection limit of 0.054 nGy s−1, which offers a route for obtaining highly sensitive x-ray detectors for applications including ultra-low dose radiation imaging.

1.
B.
Yang
,
W.
Pan
,
H.
Wu
,
G.
Niu
,
J.-H.
Yuan
,
K.-H.
Xue
,
L.
Yin
,
X.
Du
,
X.-S.
Miao
,
X.
Yang
,
Q.
Xie
, and
J.
Tang
,
Nat. Commun.
10
,
1989
(
2019
).
2.
H.
Wei
,
Y.
Fang
,
P.
Mulligan
,
W.
Chuirazzi
,
H.-H.
Fang
,
C.
Wang
,
B. R.
Ecker
,
Y.
Gao
,
M. A.
Loi
,
L.
Cao
, and
J.
Huang
,
Nat. Photonics
10
,
333
(
2016
).
3.
H.
Wu
,
Y.
Ge
,
G.
Niu
, and
J.
Tang
,
Matter
4
,
144
(
2021
).
4.
J.
Song
,
X.
Feng
,
H.
Li
,
W.
Li
,
T.
Lu
,
C.
Guo
,
H.
Zhang
,
H.
Wei
, and
B.
Yang
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
,
3529
(
2020
).
5.
Q.
Chen
,
J.
Wu
,
X.
Ou
,
B.
Huang
,
J.
Almutlaq
,
A. A.
Zhumekenov
,
X.
Guan
,
S.
Han
,
L.
Liang
,
Z.
Yi
,
J.
Li
,
X.
Xie
,
Y.
Wang
,
Y.
Li
,
D.
Fan
,
D. B. L.
Teh
,
A. H.
All
,
O. F.
Mohammed
,
O. M.
Bakr
,
T.
Wu
,
M.
Bettinelli
,
H.
Yang
,
W.
Huang
, and
X.
Liu
,
Nature
561
,
88
(
2018
).
6.
Z.
Pan
,
L.
Wu
,
J.
Jiang
,
L.
Shen
, and
K.
Yao
,
J. Phys. Chem. Lett.
13
,
2851
(
2022
).
7.
Y.
Zhang
,
Y.
Liu
,
Z.
Xu
,
H.
Ye
,
Z.
Yang
,
J.
You
,
M.
Liu
,
Y.
He
,
M. G.
Kanatzidis
, and
S.
Liu
,
Nat. Commun.
11
,
2304
(
2020
).
8.
Y.
Liu
,
Z.
Xu
,
Z.
Yang
,
Y.
Zhang
,
J.
Cui
,
Y.
He
,
H.
Ye
,
K.
Zhao
,
H.
Sun
,
R.
Lu
,
M.
Liu
,
M. G.
Kanatzidis
, and
S.
Liu
,
Matter
3
,
180
(
2020
).
9.
S.
Wei
,
S.
Tie
,
K.
Shen
,
T.
Zeng
,
J.
Zou
,
Y.
Huang
,
H.
Sun
,
L.
Luo
,
X.
Zhou
,
A.
Ren
,
X.
Zheng
,
D.
Zhao
, and
J.
Wu
,
Adv. Opt. Mater.
9
,
2101351
(
2021
).
10.
Q.
Xu
,
W.
Shao
,
Y.
Li
,
X.
Zhang
,
X.
Ouyang
,
J.
Liu
,
B.
Liu
,
Z.
Wu
,
X.
Ouyang
,
X.
Tang
, and
W.
Jia
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
,
9679
(
2019
).
11.
S. O.
Kasap
,
J. Phys. D
33
,
2853
(
2000
).
12.
A.
Šagátová
,
B.
Zaťko
,
V.
Nečas
,
F.
Dubecký
,
T. L.
Anh
,
K.
Sedlačková
,
P.
Boháček
, and
Z.
Zápražný
,
Appl. Surf. Sci.
461
,
3
(
2018
).
13.
M.
Richter
and
P.
Siffert
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
322
,
529
(
1992
).
14.
S.
Del Sordo
,
L.
Abbene
,
E.
Caroli
,
A. M.
Mancini
,
A.
Zappettini
, and
P.
Ubertini
,
Sensors
9
,
3491
(
2009
).
15.
H.
Zhang
,
F.
Wang
,
Y.
Lu
,
Q.
Sun
,
Y.
Xu
,
B.-B.
Zhang
,
W.
Jie
, and
M. G.
Kanatzidis
,
J. Mater. Chem. C
8
,
1248
(
2020
).
16.
G.
Meng
,
Y.
Ye
,
L.
Fan
,
S.
Wang
,
V.
Gnatyuk
, and
X.
Fang
,
J. Inorg. Mater.
35
,
1203
(
2020
).
17.
W.
Pan
,
H.
Wu
,
J.
Luo
,
Z.
Deng
,
C.
Ge
,
C.
Chen
,
X.
Jiang
,
W.-J.
Yin
,
G.
Niu
,
L.
Zhu
,
L.
Yin
,
Y.
Zhou
,
Q.
Xie
,
X.
Ke
,
M.
Sui
, and
J.
Tang
,
Nat. Photonics
11
,
726
(
2017
).
18.
R.
Zhuang
,
X.
Wang
,
W.
Ma
,
Y.
Wu
,
X.
Chen
,
L.
Tang
,
H.
Zhu
,
J.
Liu
,
L.
Wu
,
W.
Zhou
,
X.
Liu
, and
Y.
Yang
,
Nat. Photonics
13
,
602
(
2019
).
19.
Y.
Shen
,
Y.
Liu
,
H.
Ye
,
Y.
Zheng
,
Q.
Wei
,
Y.
Xia
,
Y.
Chen
,
K.
Zhao
,
W.
Huang
, and
S.
Liu
,
Angew. Chem., Int. Ed.
59
,
14896
(
2020
).
20.
Y.
Song
,
L.
Li
,
W.
Bi
,
M.
Hao
,
Y.
Kang
,
A.
Wang
,
Z.
Wang
,
H.
Li
,
X.
Li
,
Y.
Fang
,
D.
Yang
, and
Q.
Dong
,
Research
2020
,
5958243
.
21.
X.
Zheng
,
W.
Zhao
,
P.
Wang
,
H.
Tan
,
M. I.
Saidaminov
,
S.
Tie
,
L.
Chen
,
Y.
Peng
,
J.
Long
, and
W.-H.
Zhang
,
J. Energy Chem.
49
,
299
(
2020
).
22.
M.
Yao
,
J.
Jiang
,
D.
Xin
,
Y.
Ma
,
W.
Wei
,
X.
Zheng
, and
L.
Shen
,
Nano Lett.
21
,
3947
(
2021
).
23.
W.
Wei
,
Y.
Zhang
,
Q.
Xu
,
H.
Wei
,
Y.
Fang
,
Q.
Wang
,
Y.
Deng
,
T.
Li
,
A.
Gruverman
,
L.
Cao
, and
J.
Huang
,
Nat. Photonics
11
,
315
(
2017
).
24.
A.
Babayigit
,
A.
Ethirajan
,
M.
Muller
, and
B.
Conings
,
Nat. Mater.
15
,
247
(
2016
).
25.
Y.
Yuan
and
J.
Huang
,
Acc. Chem. Res.
49
,
286
(
2016
).
26.
B.-W.
Park
and
S. I.
Seok
,
Adv. Mater.
31
,
1805337
(
2019
).
27.
X.
Zhao
,
S.
Wang
,
F.
Zhuge
,
Y.
Song
,
T.
Aoki
,
W.
Dong
,
M.
Fu
,
G.
Meng
,
Z.
Deng
,
R.
Tao
, and
X.
Fang
,
J. Phys. Chem. Lett.
13
,
3008
(
2022
).
28.
L.
Clinckemalie
,
D.
Valli
,
M. B. J.
Roeffaers
,
J.
Hofkens
,
B.
Pradhan
, and
E.
Debroye
,
ACS Energy Lett.
6
,
1290
(
2021
).
29.
J.
Yu
,
G.
Liu
,
C.
Chen
,
Y.
Li
,
M.
Xu
,
T.
Wang
,
G.
Zhao
, and
L.
Zhang
,
J. Mater. Chem. C
8
,
6326
(
2020
).
30.
P.
Zhang
,
Y.
Hua
,
Y.
Xu
,
Q.
Sun
,
X.
Li
,
F.
Cui
,
L.
Liu
,
Y.
Bi
,
G.
Zhang
, and
X.
Tao
,
Adv. Mater.
34
,
2106562
(
2022
).
31.
W.
Pan
,
B.
Yang
,
G.
Niu
,
K.-H.
Xue
,
X.
Du
,
L.
Yin
,
M.
Zhang
,
H.
Wu
,
X.-S.
Miao
, and
J.
Tang
,
Adv. Mater.
31
,
1904405
(
2019
).
32.
Y.
He
,
I.
Hadar
,
M. C. D.
Siena
,
V. V.
Klepov
,
L.
Pan
,
D. Y.
Chung
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Adv. Funct. Mater.
32
,
2112925
(
2022
).
33.
X.
Du
,
Y.
Liu
,
W.
Pan
,
J.
Pang
,
J.
Zhu
,
S.
Zhao
,
C.
Chen
,
Y.
Yu
,
Z.
Xiao
,
G.
Niu
, and
J.
Tang
,
Adv. Mater.
34
,
2110252
(
2022
).
34.
Y.
Ruan
,
P.
Guo
,
Z.
Zheng
,
Q.
Fu
,
R.
Zhou
,
H.
Chen
,
G.
Wang
, and
W.
Luo
,
J. Mater. Chem. C
9
,
13869
(
2021
).
35.
X.
Xu
,
W.
Qian
,
S.
Xiao
,
J.
Wang
,
S.
Zheng
, and
S.
Yang
,
EcoMat
2
,
e12064
(
2020
).
36.
Y.
Feng
,
L.
Pan
,
H.
Wei
,
Y.
Liu
,
Z.
Ni
,
J.
Zhao
,
P. N.
Rudd
,
L. R.
Cao
, and
J.
Huang
,
J. Mater. Chem. C
8
,
11360
(
2020
).
37.
L.
Pan
,
Y.
Feng
,
J.
Huang
, and
L. R.
Cao
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
67
,
2255
(
2020
).
38.
Y.
He
,
L.
Matei
,
H. J.
Jung
,
K. M.
McCall
,
M.
Chen
,
C. C.
Stoumpos
,
Z.
Liu
,
J. A.
Peters
,
D. Y.
Chung
,
B. W.
Wessels
,
M. R.
Wasielewski
,
V. P.
Dravid
,
A.
Burger
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Nat. Commun.
9
,
1609
(
2018
).
39.
Y.
He
,
M.
Petryk
,
Z.
Liu
,
D. G.
Chica
,
I.
Hadar
,
C.
Leak
,
W.
Ke
,
I.
Spanopoulos
,
W.
Lin
,
D. Y.
Chung
,
B. W.
Wessels
,
Z.
He
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Nat. Photonics
15
,
36
(
2021
).
40.
F.
Liu
,
M.
Yoho
,
H.
Tsai
,
K.
Fernando
,
J.
Tisdale
,
S.
Shrestha
,
J. K.
Baldwin
,
A. D.
Mohite
,
S.
Tretiak
,
D. T.
Vo
, and
W.
Nie
,
Mater. Today
37
,
27
(
2020
).
41.
M.
Han
,
Y.
Xiao
,
C.
Zhou
,
Z.
Xiao
,
W.
Tan
,
G.
Yao
,
X.
Wu
,
R.
Zhuang
,
S.
Deng
,
Q.
Hu
,
Y.
Yang
,
Z.
Tang
,
X.
Zhou
,
H.
Lin
,
H.
Liang
,
S.
Lin
,
Z.
Mei
,
C.
Wang
,
Q.
Chen
,
W.
Zhang
, and
Y.
Jiang
,
Adv. Funct. Mater.
33
,
2303376
(
2023
).
42.
J. A.
Steele
,
W.
Pan
,
C.
Martin
,
M.
Keshavarz
,
E.
Debroye
,
H.
Yuan
,
S.
Banerjee
,
E.
Fron
,
D.
Jonckheere
,
C. W.
Kim
,
W.
Baekelant
,
G.
Niu
,
J.
Tang
,
J.
Vanacken
,
M.
Van der Auweraer
,
J.
Hofkens
, and
M. B. J.
Roeffaers
,
Adv. Mater.
30
,
1804450
(
2018
).
43.
D. N.
Dirin
,
I.
Cherniukh
,
S.
Yakunin
,
Y.
Shynkarenko
, and
M. V.
Kovalenko
,
Chem. Mater.
28
,
8470
(
2016
).
44.
X.
Zhao
,
S.
Wang
,
F.
Zhuge
,
N.
Zhu
,
Y.
Song
,
M.
Fu
,
Z.
Deng
,
X.
Fang
, and
G.
Meng
,
J. Mater. Chem. C
11
,
8533
(
2023
).
45.
M. J.
Berger
,
J. H.
Hubbell
,
S. M.
Seltzer
,
J.
Chang
,
J. S.
Coursey
,
R.
Sukumar
,
D. S.
Zucker
, and
K.
Olsen
, see https://www.nist.gov/pml/xcom-photon-cross-sections-database for “
XCOM: Photon cross sections database: NIST standard reference database 8
” (
2010
).
46.
Z.
Li
,
C.
Zuo
,
X.
Liu
,
Z.
Ma
,
Z.
Shi
, and
X.
Fang
,
Adv. Opt. Mater.
10
,
2102315
(
2022
).
47.
A.
Dey
,
P.
Rathod
, and
D.
Kabra
,
Adv. Opt. Mater.
6
,
1800109
(
2018
).
48.
X. B.
Zhang
,
T.
Taliercio
,
S.
Kolliakos
, and
P.
Lefebvre
,
J. Phys.: Condens. Matter
13
,
7053
(
2001
).
49.
K.-K.
Liu
,
Q.
Liu
,
D.-W.
Yang
,
Y.-C.
Liang
,
L.-Z.
Sui
,
J.-Y.
Wei
,
G.-W.
Xue
,
W.-B.
Zhao
,
X.-Y.
Wu
,
L.
Dong
, and
C.-X.
Shan
,
Light
9
,
44
(
2020
).
50.
H.
Wei
and
J.
Huang
,
Nat. Commun.
10
,
1066
(
2019
).
51.
M.
Daum
,
S.
Deumel
,
M.
Sytnyk
,
H. A.
Afify
,
R.
Hock
,
A.
Eigen
,
B.
Zhao
,
M.
Halik
,
A.
These
,
G. J.
Matt
,
C. J.
Brabec
,
S. F.
Tedde
, and
W.
Heiss
,
Adv. Funct. Mater.
31
,
2102713
(
2021
).
52.
Y.
Song
,
S.
Wang
,
X.
Zhao
,
Q.
Hu
,
C.
Huang
,
G.
Meng
,
V.
Gnatyuk
,
Y.
Ni
, and
H.
Wu
,
Appl. Phys. Lett.
123
,
032102
(
2023
).
53.
M.
Xia
,
J.-H.
Yuan
,
G.
Niu
,
X.
Du
,
L.
Yin
,
W.
Pan
,
J.
Luo
,
Z.
Li
,
H.
Zhao
,
K.-H.
Xue
,
X.
Miao
, and
J.
Tang
,
Adv. Funct. Mater.
30
,
1910648
(
2020
).
54.
L.
Yin
,
H.
Wu
,
W.
Pan
,
B.
Yang
,
P.
Li
,
J.
Luo
,
G.
Niu
, and
J.
Tang
,
Adv. Opt. Mater.
7
,
1900491
(
2019
).
55.
L.
Pan
,
Z.
Liu
,
C.
Welton
,
V. V.
Klepov
,
J. A.
Peters
,
M. C.
De Siena
,
A.
Benadia
,
I.
Pandey
,
A.
Miceli
,
D. Y.
Chung
,
G. N. M.
Reddy
,
B. W.
Wessels
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Adv. Mater
35
,
2211840
(
2023
).
56.
B.-B.
Zhang
,
X.
Liu
,
B.
Xiao
,
A. B.
Hafsia
,
K.
Gao
,
Y.
Xu
,
J.
Zhou
, and
Y.
Chen
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
,
432
(
2020
).
57.
S.
Tokuda
,
H.
Kishihara
,
S.
Adachi
, and
T.
Sato
,
J. Mater. Sci.-Mater. El.
15
,
1
(
2004
).
58.
S.
Kasap
,
J. B.
Frey
,
G.
Belev
,
O.
Tousignant
,
H.
Mani
,
L.
Laperriere
,
A.
Reznik
, and
J. A.
Rowlands
,
Phys. Status Solidi B
246
,
1794
(
2009
).
59.
H.
Du
,
L. E.
Antonuk
,
Y.
El-Mohri
,
Q.
Zhao
,
Z.
Su
,
J.
Yamamoto
, and
Y.
Wang
,
Phys. Med. Biol.
53
,
1325
(
2008
).
60.
R.
Shi
,
J.
Pi
,
D.
Chu
,
B.
Jia
,
Z.
Zhao
,
J.
Hao
,
X.
Zhang
,
X.
Dong
,
Y.
Liang
,
Y.
Zhang
,
Y.
Liu
, and
S.
Liu
,
ACS Energy Lett.
8
,
4836
(
2023
).
You do not currently have access to this content.