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深研院化生学院杨世和课题组在钙钛矿X射线探测器成像领域取得突破性进展

高新材料 X射线探测器 钙钛矿 X射线成像设备
发布:2021-03-04 11:41:30     来源:深圳研究生院

 近日,深圳研究生院化学生物学与生物技术学院杨世和课题组在国际知名期刊 Cell 的姊妹刊 Matter 上,发表了题为“An aerosol-liquid-solid process for the generalsynthesis of halide perovskite thick films for direct-conversion X-ray detectors”的论文。首次报道了一种新颖的ALS(aerosol-liquid-solid process)方法合成高质量的卤化钙钛矿材料厚膜,并以此为基础进行了X射线探测器的设计和制备,展现了其生物成像应用的潜力。

X射线探测器是一类接收X射线并将其转化为电信号的装置,可实现对生物体、金属等样品内部细微结构的准确探测,被广泛应用于医疗、科研、核工业、精密零件加工以及航天航空等领域。其中以高性能X射线探测器为核心技术发展起来的电子计算机断层扫描系统(Computed Tomography,简称CT系统),在外科手术和组织病变的临床诊断中发挥着不可替代的作用。同时,在癌症治疗过程中,高性能的医学X射线成像设备也是肿瘤诊断和肿瘤切除手术的重要技术基础。

卤化钙钛矿材料具有带隙可调、载流子寿命长和迁移率高等优点,近年来迅速成为光电探测器、太阳能电池、LED等诸多领域的明星材料。其中,德国西门子公司和韩国三星公司等企业团队率先发掘了钙钛矿半导体材料作为X射线探测器吸光层的应用潜力,引发了X射线探测领域的新变革。然而,随着研究的深入,如何在TFT电路板上制备得到高质量,大面积的钙钛矿晶体,成为了钙钛矿X射线探测器通向商业化的瓶颈问题。

有鉴于此,杨世和课题组通过长期摸索,利用自主设计搭建的设备,发展了一种新颖的ALS方法,可以在TFT电路板等基底上直接制备一系列准单晶钙钛矿膜。该方法以超声喷雾为技术手段,利用气-液界面连续引入反应物,形成前驱体,通过参数选择巧妙地调控液膜内溶质浓度分布,使其以钙钛矿的结构形式有序地源源不断地沉积在已异相成核的固态钙钛矿膜表面,避免了多余无规的成核位点,使得钙钛矿膜以独特的方式自下而上地快速结晶生长。该过程的循环往复最终实现了厚度精确可控的钙钛矿晶体生长,且得到的钙钛矿晶体在垂直方向无明显晶界,形貌近似于单晶,相比于传统方法制备得到的多晶钙钛矿膜,在垂直方向上的载流子传输性能得到了极大程度的提高。此外,该方法可适用于绝大多数种类钙钛矿材料的大面积制备。


 

图1. ALS方法制备得到的多种钙钛矿材料厚膜的形貌和XRD表征结果

基于具有代表性的CsPbI2Br纯无机钙钛矿材料,研究团队制备了性能优异的X射线探测器。其X射线的探测灵敏度(1.48×105μCGyair-1 cm-2)可谓前所未有,是目前商用的α-Se材料探测器(20μCGyair-1 cm-2)7000多倍,可以在280nGyair s-1的极低辐射剂量下实现有效的探测信号分辨。通过单点扫描模式,在无算法处理的情况下实现了对于骨骼和肌肉组织密度较低的生物样品的X射线成像,清晰地显示了骨骼缺陷以及肌肉组织厚度等信息。这表明了利用ALS方法制备得到的钙钛矿X射线探测器具有很好的单点成像能力,在医用CT领域具有令人鼓舞的商业化前景。

 
图2.基于ALS方法制备的钙钛矿X射线探测器测试性能和医学成像图

杨世和课题组博士研究生钱微和博士后徐修文是本文共同第一作者,肖爽副研究员和杨世和教授为共同通讯作者。合作方中山大学陈军教授和中科院深圳先进技术研究院葛永帅研究员等人也作出了贡献。本课题得到了国家自然科学基金、深圳市孔雀团队项目、深港创新圈联合研发项目,深圳市基础研究项目,深圳市技术攻关项目以及南山区领航团队项目的支持。

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