深圳先进院X射线源及X射线探测器研发取得进展

2020-09-08

近日，中国科学院深圳先进技术研究院材料所（筹）光子信息与能源材料研究中心在X射线源和X射线探测器研发方面取得新进展，深圳先进院均为第一单位。
无机械旋转CT可以解决以往旋转CT扫描过程中因病人的呼吸、心跳等生理运动产生的伪影问题，实现静态多角度探测。为了实现无机械旋转CT扫描，目前主要使用电子枪产生的聚焦电子束在X射线靶上进行空间和角度的扫描，但扫描角度有限。
受限于热阴极及其电子束真空扫描系统的庞大体积，X射线源难以小型化，导致设备庞大且造价昂贵，高温电子枪中热氧化过程使得其寿命也偏短。
相比传统热阴极X射线源，基于场发射的冷阴极X射线源具有功耗低、尺寸小、响应速度快、聚焦性好等优点，正成为当今X射线源发展的重要趋势。基于此，研究团队开发了一种新型的基于场发射的冷阴极X射线源—硅/铜薄膜基底上硫化亚铜纳米
线/氧化石墨烯异质结构。得益于铜-硫化亚铜一体化的生长模式，其热稳定性提升，寿命高于传统场发射材料碳纳米管一个量级。此外，氧化石墨烯的引入降低了功函数，进而降低了阈值场强。这些优点使得低成本、高寿命、低阈值场强X射线源走向
大规模市场成为可能。相关成果High performance X-ray source based on graphene oxide coated Cu2S nanowires grown on copper film发表于纳米领域经典期刊Nanotechnology （影响因子：3.551），硕士研究生张道书为论文第一作者，中山大学陈
军教授，深圳先进院杨春雷研究员和陈明副研究员为论文通讯作者。
有机金属钙钛矿MAPbBr3具备优异的载流子输运特性和重原子（铅、溴）组成架构，这种出色的电荷输运特性和结构特性是实现直接X射线转换的理想选择，近十年来受到广泛关注。实现硅和钙钛矿的单片集成结构是将高性能钙钛矿X射线探测器
推向大规模产业化的核心要点。然而，简单的将整块钙钛矿与硅或硅基薄膜晶体管等结合会造成相邻像素间电信号的串扰，从而造成较低的空间分辨率。将钙钛矿图案化可以解决电信号的串扰问题，常见的图案化手段包括自下而上的光刻技术和激光
划线等技术。但是，光刻工艺中钙钛矿材料与有机溶剂接触后性能容易恶化，而激光划线工艺会造成钙钛矿材料的损伤和非晶化。最重要的是，受限于工艺本身限制，以上制备手段获得的钙钛矿薄膜的厚度通常都是亚微米级别，厚度太薄而远远不足
于吸收大部分X射线能量，从而造成较低的探测灵敏度。
鉴于此，研究团队采用深硅刻蚀和钙钛矿原位生长技术，成功实现了硅基集成、厚度达300 微米的图案化钙钛矿。一方面，相比传统平面结构，同轴硅/钙钛矿的异质结构拥有更大的界面面积和更长的光生载流子寿命（更短的载流子输运时间），
因而有效增强了X射线探测器的探测率。另一方面，足够厚度（约300微米）的钙钛矿保证了X射线能量的充分吸收。得益于此，团队获得了高灵敏度（242?μC Gyair?1?cm?2，高于商业化直接型X射线探测器α-Se一个量级）、快速响应（毫秒级别响应
时间）、高分辨率（约0.5毫米）的硅基集成、像素化的直接型钙钛矿X射线平板探测器。该研究工作对于硅基钙钛矿直接型X射线平板探测器走向产业化有重要借鉴意义。相关成果Co-axial silicon/perovskite heterojunction arrays for high-performance
direct-conversion pixelated X-ray detectors发表于能源领域重要期刊Nano Energy (影响因子：16.602)。硕士研究生田书凯为论文第一作者，助理研究员隋帆、研究员杨春雷和副研究员陈明为论文通讯作者。
该系列研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市等科技项目资助。论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6528/abb0b6/meta

（a）Cu基底上Cu2S纳米线/氧化石墨烯异质结构（b）基于Cu2S纳米线/氧化石墨烯的X射线源用于鱼的成像

硅基集成、图案化的钙钛矿直接型X射线平板探测器