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四川省新材料中心在稳定、灵敏的X射线直接探测方面取得重要进展

2020-06-24

稳定、高效的X射线探测器是实现X射线在医学成像、工业无损检测、安检核科学与技术等领域应用的关键技术。不过,X射线探测器目前仍面临着材料可选择性小、性质不理想等问题,进一步寻找综合性能优异的新型半导体探测材料对获取探测灵敏、高探测效率、简单、便携的室温探测器意义重大。

近期,化工材料研究所新材料中心郑霄家副研究员、张文华研究员与流体物理研究所赵伟助理研究员、龙继东研究员、南京大学谭海仁教授等合作使用溶液法制备了英寸尺度的MA3Bi2I9MA = 甲氨基)单晶样品并对其进行了切割加工和直接转换型X射线探测器的制备。材料具有稳定性高、环境友好、X射线衰减性能强、载流子扩散距离大以及制备方法简单等优点,契合X射线探测对材料的需求。同时,MA3Bi2I9单晶独特的零维结构使其具有较高的电阻率、极低的载流子浓度、弱离子迁移等特性,十分利于弱X射线信号检测。研究结果表明,MA3Bi2I9探测器对100 kVp X射线的检测下限小于1nGyairs1比商用非晶硒成像面板探测限低三个数量级,远低于医疗成像所要求的5.5 μGyairs1的剂量率要求;探测器灵敏度~10,000 μC Gyaircm2,是商用非晶硒探测器最佳灵敏度的25倍;同时,在100V偏压下,经过>20万次胸透所需射线剂量辐照后(单次胸透~0.1 mGyair,探测器的X射线探测性能无衰减,展现了器件极优的稳定性。



图 (a)MA3Bi2I9单晶照片,(b)探测器对X射线信号响应特性及c探测器在100 V工作电压不同剂量率X射线(100kVp)辐照下的工作稳定性。

相比商用非晶硒探测器,绿色环保的MA3Bi2I9探测器在保持低制作成本的情况下,有望大幅降低X射线使用过程中的剂量需求,从而降低辐射防护的难度和减少辐射造成的有害效应;更为重要的是,基于MA3Bi2I9X射线探测器可以弥补非晶硒探测器对硬X射线响应不灵敏的缺点,大大拓宽直接转换型X射线成像面板的适用范围。此项研究展示了MA3Bi2I9探测器在医疗成像、安检、环境核辐射监测等领域巨大的潜在应用价值。

相关研究成果提交了3项发明专利申请,并于近期以题为“Ultrasensitive and stable X-ray detection using zero-dimensional lead-free perovskites”发表在中国科技期刊卓越行动计划重点资助期刊Journal of Energy Chemistry上,化工材料研究所新材料中心郑霄家副研究员、王鹏研究实习员和流体物理研究所赵伟助理研究员为论文共同第一作者化工材料研究所新材料中心张文华研究员和流体物理研究所龙继东研究员为论文共同通讯作者相关研究成果得到了美国科学促进会(AAAS), Bioengineer, Science Codex, 科学出版社,腾讯网,科界等国际、国内媒体的关注和报道。






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