数字平板探测器是当今临床 X 射线成像系统的核心。但是平面探测器与人体复杂的 3D 形状不匹配。使用弯曲检测器可能是更好的选择，与平面检测器相比，它可以最大限度地减少图像边缘周围的失真并减少渐晕。然而，由于底层无机(主要是硅基)半导体技术的刚性和脆性，生产柔性探测器的尝试迄今尚未成功。
创建弯曲 X 射线探测器的一个有前途的替代方案是使用 "无机-有机 "混合半导体。一种候选结构包括集成到由 p 型聚合物 P3HT 和 n 型 PC 70 BM组成的有机本体异质结 (BHJ) 中的 X 射线衰减氧化铋纳米粒子。
为了使这种材料能够有效地作为弧形探测器发挥作用，它必须将高可弯曲性与优化的探测性能结合起来。为了实现这一目标，萨里大学领导的一个团队研究了 P3HT 分子量对这些掺入纳米颗粒的 BHJ (NP-BHJ) X 射线探测器的机械和电学性能的影响。
研究人员在《Advanced Science》上报告了他们的发现，他们发现通过调整有机半导体的分子量以延长聚合物链，他们可以为医疗应用创建坚固、高灵敏度的弯曲 X 射线探测器。
主要作者Prabodhi Nanayakkara在一份新闻声明中说：“我们的弯曲探测器概念显示出卓越的机械坚固性，并使弯曲半径小至 1.3 毫米。与需要昂贵的晶体生长方法的硅或锗制成的传统无机半导体相比，使用有机或‘无机-有机’半导体也更具成本效益。”
性能参数
为了研究 P3HT 分子量对探测器性能的影响，Nanayakkara 及其同事使用四种 P3HT 分子量(25、37、46 和 55 kDa)创建了刚性 NP-BHJ 探测器，这些分子量通常用于基于P3HT的光电设备。他们在玻璃基板上制造了探测器，并结合了 55 µm 厚的 NP-BHJ 薄膜。
该团队评估了一系列参数，包括暗电流、光电流特性和电荷传输特性。探测器暗电流随着聚合物分子量的降低而降低。然而，在 -10 至 -200 V 的外加偏压下，所有器件都显示出低暗电流，完全符合工业要求的 10 pA/mm 2。对于最低的 P3HT 分子量，器件灵敏度略高，具有约为 1.5 µGy/s的检测限(对于 70 kV X 射线源)，优于诊断成像所需。
虽然四种设备之间的性能参数不同，但研究人员强调，评估的所有 P3HT 分子量都提供了出色的探测器响应特性，包括超低暗电流、高灵敏度和快速响应时间，突出了NP-BHJ探测器用于低剂量成像和剂量测定的潜力。
优化可弯曲性
接下来，该团队评估了各种探测器结构的机械性能。X 射线探测器需要更高的结晶度才能实现令人满意的电荷提取。但是对于弯曲的探测器，更高的结晶度会导致机械故障。为了确定最适合弯曲 X 射线探测器的 P3HT 分子量，研究人员对 NP-BHJ 薄膜进行了掠入射广角 X 射线散射测量。
他们发现由较高 P3HT 分子量制造的薄膜的结晶度较低，这表明此类薄膜具有更多的非晶区，可以在结晶区之间架桥。这些无定形区域还会增加分子间相互作用和链间缠结，从而在机械故障之前实现更大的变形。
研究人员还研究了基板厚度对各种 NP-BHJ 薄膜纳米力学性能的影响。他们在厚度低于 (25 µm)、等于 (50 µm) 和高于 (75 µm) 的 55 µm NP-BHJ 层的柔性聚酰亚胺基板上制造了探测器。机械性能取决于 P3HT 分子量和基材厚度。较低分子量的检测器更硬且极脆，而在较薄基材上制造的检测器过度卷曲并容易从基材上分层。
基于结晶度和纳米力学分析，研究人员预测，更高的 P3HT 分子量和更厚的柔性基板最适合制造弯曲的 X 射线探测器。考虑到这一点，他们测试了三种检测器(75 µm 基材上的 46 和 55 kDa P3HT，以及 50 µm 基材上的 55 kDa P3HT)在不同弯曲半径下对 40 kV X 射线辐射的响应。
所有探测器都表现出出色的抗弯曲性，即使弯曲半径小至 1.3 mm ，仍保持大约 0.17 µC/Gy/cm 2 的灵敏度和小于 1 pA/mm 2的暗电流。该团队通过执行向下至 1.3 毫米半径的动态弯曲循环，证明了探测器的机械坚固性。100 次循环后，检测器的灵敏度变化小于 2.8%。
“我们正在展示的技术将有助于创造一种革命性的新型高灵敏度 X 射线探测器，由于采用的设计和材料，该探测器具有可扩展性。”资深作者Ravi Silva说，“这项技术在医疗应用和其他 X 射线用途方面具有巨大潜力，因此我们正在与一家衍生公司SilverRay 合作，并希望将这项技术转变为高灵敏度、高分辨率的首选 X 射线探测器，灵活的大面积探测器。”
