日前，美國阿拉莫斯實驗室①和阿貢國家實驗室②的研究人員合作開發(fā)出一種基于鈣鈦礦（perovskite）③的新型X射線探測器，其靈敏度比傳統(tǒng)的硅探測器要高出幾個數(shù)量級，且輻射和成本均大大降低。研究成果發(fā)表在最新一期的Science Advances上。

▲ 發(fā)表于Science Advances的論文

這種探測器能將X射線信號直接轉(zhuǎn)換成電信號，因此具有很高的靈敏度和原位實時X射線光子跟蹤能力，其靈敏度大約是硅器件的100倍，而且不需要電源。

此外，它的核心物質(zhì)——鈣鈦礦薄膜可以通過噴涂的方式沉積在表面，固化后留下薄層物質(zhì)。與需要在真空條件下進行高溫金屬沉積的硅基系統(tǒng)相比，這種生產(chǎn)方式無疑要便宜和容易得多。

▲由二維鈣鈦礦薄膜制成的X射線探測器無需外部電源即可將X射線光子轉(zhuǎn)換成電信號

除了薄層鈣鈦礦應(yīng)用于X射線探測器之外，較厚的鈣鈦礦層如果使用一個小型電壓電源同樣也能良好運行，這表明它們的有用能量范圍（useful energy range）可以從X射線擴展到低能量伽瑪射線。

鈣鈦礦富含鉛和碘等重元素，更容易吸收透過硅而未被探測到的X射線，從而能更好地探測高能X射線。這也使它能夠更好地監(jiān)測高能研究設(shè)施中的X射線，比如同步加速器光源。

研究人員之一聶萬義（音）表示，直接轉(zhuǎn)換對實時成像很有價值，并且可以將信號直接連接到計算機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理和可視化。

聶萬義（音）說：“我認為能夠?qū)崟r監(jiān)測伽瑪射線光子的探測器在腫瘤治療中會非常有用。靈敏固態(tài)探測器的另一個優(yōu)點是可以通過電脈沖計數(shù)單個放射光子來解析放射光子能量，為醫(yī)學(xué)成像提供更高級的功能。例如，如果腫瘤吸收不同能量光子的方式不同，就能將其與正常組織區(qū)分開來?！?/p>

事實上，近年來，鈣鈦礦材料由于其出色的光電性能、簡易的處理方式和較低的研究門檻，成為材料和能源領(lǐng)域的一大研究熱點。

悅智網(wǎng)④2019年9月的一篇文章顯示，目前全球已經(jīng)有幾十個團隊在探索該領(lǐng)域，包括三星和西門子在內(nèi)的X射線成像生產(chǎn)商都在考慮在自己下一代的產(chǎn)品中使用鈣鈦礦。

中國、美國、新加坡等國家都有科研團隊在研究基于鈣鈦礦的X射線探測器，例如：

科技部官網(wǎng)2019年8月的一篇新聞顯示，在國家重點研發(fā)計劃“納米科技”重點專項的支持下，浙江大學(xué)楊旸課題組報道了一種具有類似鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料（NH4）3Bi2I9。課題組制作了具有高靈敏度和低檢測極限的X射線探測器，其探測靈敏度和最低檢測極限大大超過了目前接近商用化的非晶硒直接型X射線探測器，未來可能應(yīng)用于醫(yī)療、安防及工業(yè)無損檢測設(shè)備的X光成像系統(tǒng)中。

悅智網(wǎng)的報道顯示，新加坡國立大學(xué)的劉小鋼團隊將X射線探測器的CsI（TI）涂層替換為銫鉛溴納米晶體層（一種無機鈣鈦礦），直接將其涂在光電二極管陣列上，結(jié)合使用光電倍增管，最終設(shè)備的探測極限達到了醫(yī)用X射線機劑量的1/400。目前有幾家X射線制造商正在使用劉小鋼團隊的方法測試納米晶閃爍體。

美國北卡羅來納大學(xué)教堂山分校的黃勁松團隊從2014年起研究基于鈣鈦礦的直接X射線探測器。他們在一項實驗中將一種普通的鈣鈦礦化合物溴化甲胺鉛涂抹到了常規(guī)X射線探測器上，這種探測器使用非晶硅將X射線轉(zhuǎn)化為電子。增加的鈣鈦礦涂層讓探測器的靈敏度提高了3000倍。

本文介紹的探測器原型目前已有一個單像素演示，研究人員的目標(biāo)是開發(fā)像素減小的陣列，制造出成像設(shè)備。如果陣列測試能成功，將有望在掃描裝置上廣泛使用。以后還有可能使用噴墨系統(tǒng)大規(guī)模生產(chǎn)這種探測器，取代目前昂貴的硅探測器。

未來，鈣鈦礦探測器或?qū)⒋蜷_X射線應(yīng)用的一片新天地。

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