日前，美國(guó)阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室①和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(cè)器，其靈敏度比傳統(tǒng)的硅探測(cè)器要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，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(cè)器能將X射線信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，因此具有很高的靈敏度和原位實(shí)時(shí)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(guò)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(jìn)行高溫金屬沉積的硅基系統(tǒng)相比，這種生產(chǎn)方式無(wú)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(cè)器無(wú)需外部電源即可將X射線光子轉(zhuǎn)換成電信號(hào)

除了薄層鈣鈦礦應(yīng)用于X射線探測(cè)器之外，較厚的鈣鈦礦層如果使用一個(gè)小型電壓電源同樣也能良好運(yùn)行，這表明它們的有用能量范圍（useful energy range）可以從X射線擴(kuò)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(guò)硅而未被探測(cè)到的X射線，從而能更好地探測(cè)高能X射線。這也使它能夠更好地監(jiān)測(cè)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(wàn)義（音）表示，直接轉(zhuǎn)換對(duì)實(shí)時(shí)成像很有價(jià)值，并且可以將信號(hào)直接連接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和可視化。

聶萬(wàn)義（音）說(shuō)：“我認(rèn)為能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)伽瑪射線光子的探測(cè)器在腫瘤治療中會(huì)非常有用。靈敏固態(tài)探測(cè)器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)電脈沖計(jì)數(shù)單個(gè)放射光子來(lái)解析放射光子能量，為醫(yī)學(xué)成像提供更高級(jí)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(lái)。”

事實(shí)上，近年來(lái)，鈣鈦礦材料由于其出色的光電性能、簡(jiǎn)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(diǎn)。

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(gè)團(tuán)隊(duì)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(guó)、美國(guó)、新加坡等國(guó)家都有科研團(tuán)隊(duì)在研究基于鈣鈦礦的X射線探測(cè)器，例如：

科技部官網(wǎng)2019年8月的一篇新聞顯示，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“納米科技”重點(diǎn)專項(xiàng)的支持下，浙江大學(xué)楊旸課題組報(bào)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(cè)極限的X射線探測(cè)器，其探測(cè)靈敏度和最低檢測(cè)極限大大超過(guò)了目前接近商用化的非晶硒直接型X射線探測(cè)器，未來(lái)可能應(yīng)用于醫(yī)療、安防及工業(yè)無(wú)損檢測(cè)設(shè)備的X光成像系統(tǒng)中。

悅智網(wǎng)的報(bào)道顯示，新加坡國(guó)立大學(xué)的劉小鋼團(tuán)隊(duì)將X射線探測(cè)器的CsI（TI）涂層替換為銫鉛溴納米晶體層（一種無(wú)機(jī)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(cè)極限達(dá)到了醫(yī)用X射線機(jī)劑量的1/400。目前有幾家X射線制造商正在使用劉小鋼團(tuán)隊(duì)的方法測(cè)試納米晶閃爍體。

美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校的黃勁松團(tuán)隊(duì)從2014年起研究基于鈣鈦礦的直接X射線探測(cè)器。他們?cè)谝豁?xiàng)實(shí)驗(yàn)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(cè)器上，這種探測(cè)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(cè)器的靈敏度提高了3000倍。

本文介紹的探測(cè)器原型目前已有一個(gè)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(cè)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(cè)器，取代目前昂貴的硅探測(cè)器。

未來(lái)，鈣鈦礦探測(cè)器或?qū)⒋蜷_X射線應(yīng)用的一片新天地。

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