Advanced Science | 原位生長(zhǎng)鈣鈦礦晶片實(shí)現(xiàn)低劑量直接X(jué)射線(xiàn)探測(cè)成像
近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料所喻學(xué)鋒、劉延亮團(tuán)隊(duì)與醫(yī)工所葛永帥團(tuán)隊(duì)合作,在權(quán)威刊物Advanced Science在線(xiàn)發(fā)表研究論文“PbI2-DMSO Assisted In-situ Growth of Perovskite Wafer for Sensitive Direct X-ray Detector”。 該成果聚焦鈣鈦礦直接型X射線(xiàn)探測(cè)器中鈣鈦礦晶片材料缺陷密度高、載流子傳輸效率低的科學(xué)問(wèn)題,原創(chuàng)性地開(kāi)發(fā)了一種鈣鈦礦晶體的原位生長(zhǎng)技術(shù),極大提高了鈣鈦礦晶片的光電性能,實(shí)現(xiàn)了高效直接X射線(xiàn)探測(cè)及掃描成像。本工作為制備高靈敏、高分辨直接X射線(xiàn)探測(cè)器提供了新的技術(shù)路線(xiàn),有望應(yīng)用于未來(lái)高端醫(yī)療影像診斷和芯片無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域。喻學(xué)鋒研究員、葛永帥研究員和劉延亮副研究員為本文共同通訊作者,劉文俊碩士生和史桐雨博士生為本文的共同第一作者。

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論文鏈接:http://doi.org/10.1002/advs.202204512
X射線(xiàn)探測(cè)在醫(yī)學(xué)診療、安防檢查、工業(yè)無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而,目前商用的閃爍體間接X(jué)射線(xiàn)探測(cè)器存在二次光電轉(zhuǎn)化效率低、可見(jiàn)光色散等難以克服的問(wèn)題,導(dǎo)致探測(cè)靈敏度低、輻射劑量高、空間分辨率差,無(wú)法滿(mǎn)足高端醫(yī)學(xué)影像、芯片檢測(cè)等領(lǐng)域的需求。相比之下,基于半導(dǎo)體材料的直接X(jué)射線(xiàn)探測(cè)器可通過(guò)一次光電轉(zhuǎn)換,直接將X射線(xiàn)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),因此可具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率、探測(cè)靈敏度和空間分辨率。然而,目前常用的直接X(jué)射線(xiàn)探測(cè)半導(dǎo)體材料面臨對(duì)X射線(xiàn)吸收弱(硅、非晶硒)、熱穩(wěn)定性差(非晶硒)、造價(jià)高昂(碲化鎘、碲鋅鎘)等問(wèn)題,極大地限制了其推廣應(yīng)用。因此,發(fā)展新型高效半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換材料是直接X射線(xiàn)成像探測(cè)器走向應(yīng)用的關(guān)鍵。
近年來(lái),金屬鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體憑借優(yōu)異的本征性能,如重原子X光吸收、載流子遷移率高和壽命長(zhǎng)等,在直接X射線(xiàn)探測(cè)領(lǐng)域備受關(guān)注。鈣鈦礦材料對(duì)X射線(xiàn)的探測(cè)靈敏度可達(dá)100000 μC Gyair-1cm-2,遠(yuǎn)優(yōu)于商用的硅、非晶硒、碲鋅鎘。通過(guò)簡(jiǎn)單等靜壓方法制備的鈣鈦礦晶片尺寸和厚度可控,非常適用于直接X射線(xiàn)檢測(cè)。然而,鈣鈦礦晶片常常面臨晶體生長(zhǎng)不完全、電荷缺陷密度高的問(wèn)題,嚴(yán)重影響了X射線(xiàn)探測(cè)器的效率及工作穩(wěn)定性。
針對(duì)上述問(wèn)題,結(jié)合之前的研究基礎(chǔ),從提升鈣鈦礦結(jié)晶度、降低鈣鈦礦晶片缺陷密度出發(fā),本研究工作創(chuàng)新性地開(kāi)發(fā)了一種PbI2-DMSO固體添加劑,促進(jìn)了厚鈣鈦礦晶片的原位再生長(zhǎng),提高了材料的結(jié)晶度、降低缺陷密度、提高載流子遷移率和壽命。并且通過(guò)減緩鈣鈦礦的結(jié)晶過(guò)程,降低成核密度形成連續(xù)的大晶粒鈣鈦礦晶片,進(jìn)一步促進(jìn)器件表面晶界融合、提高電荷傳輸性能,從而獲得高效鈣鈦礦直接X射線(xiàn)探測(cè)器。探測(cè)器靈敏度可達(dá)1.58×104μC Gyair-1cm-2,最低可探測(cè)劑量可達(dá)410 nGyair s-1,并且用平面掃描的方式,實(shí)現(xiàn)了高清X射線(xiàn)探測(cè)成像。這項(xiàng)工作為鈣鈦礦材料開(kāi)拓了新的應(yīng)用方向,同時(shí)也為高質(zhì)量鈣鈦礦晶片的制備提供了一種有效策略,具有很大科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值。
該研究工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、深圳市杰青及中科院特別研究助理等項(xiàng)目的資助。
原位生長(zhǎng)鈣鈦礦晶片用于高靈敏直接X射線(xiàn)探測(cè)

X射線(xiàn)探測(cè)掃描成像
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