X射線探測有可能成為鈣鈦礦的殺手級應用

鈣鈦礦——這種晶體材料可以制作超高效的光電池。研究人員還在晶體管和LED照明中挖掘鈣鈦礦的潛力。此外，這種奇妙的晶體還有另外一個最有發(fā)展?jié)摿Φ挠猛荆蔷褪荴射線探測器。

目前全球有幾十個團隊在探索該領域，包括三星和西門子在內(nèi)的主要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。與目前的X射線成像儀相比，基于鈣鈦礦化合物的探測器的靈敏度高，且能耗低。在某些特定的應用中，還可以對材料進行調(diào)整，使其在被輻射時發(fā)出彩色光。

鈣鈦礦擅長將光轉化為電荷。這非常適合用于太陽能電池，同樣也可用于X射線探測。在直接探測器中，X射線光子會在半導體中被轉化為電子。在熒光成像儀中，X射線光子首先會被轉化為可見光，然后再被轉化為電子。與這種傳統(tǒng)版的數(shù)字X線機相比，使用鈣鈦礦的實驗室樣機的效率至少是前者的100倍。

在一次實驗中，新加坡國立大學的劉小鋼團隊開始采用含有大量鉈碘化銫熒光材料的商用扁平面板X射線探測器。在試驗中，該團隊去除了CsI(TI)涂層，替換為銫鉛溴納米晶體層（一種無機鈣鈦礦），直接將其涂在了光電二極管陣列上。據(jù)該團隊在去年9月《自然》雜志上的報告，結合使用光電倍增管，最終設備的探測極限達到了醫(yī)用X光機劑量的1/400。劉小鋼說，目前有幾家X射線制造商正在使用其團隊的方法測試納米晶閃爍體。

Photo: National University of SingaporeBetter Detectors:Xiaogang Liu [right] and Qiushui Chen at the National University of Singapore developed perovskite nanocrystals that absorb X-rays better than conventional materials do.

劉小鋼稱贊了研究生陳秋水這種使用鈣鈦礦納米晶體的思路。他說：“我們最近的很多工作都涉及了稀土材料，這是常見閃爍體使用的材料。”為了形成鈣鈦礦涂層，研究人員將納米晶體與環(huán)乙烷液混合，然后將混合物旋涂到柔性基板上。

“我們比較幸運，因為我們發(fā)現(xiàn)，必須經(jīng)過固態(tài)處理方法將納米晶體放置在基板上。”劉小鋼說，“如果微粒在溶液中分散了，那就不好了。”

研究人員還展示了鈣鈦礦在直接X射線探測器中遠遠優(yōu)于商業(yè)成像儀的性能。北卡羅來納大學教堂山分校的黃勁松及其團隊從2014年開始就一直在研究基于鈣鈦礦的直接X射線探測器。（黃勁松也參與了鈣鈦礦光電工作。）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。

“要讓探測器具備非常高的效率和靈敏度，你需要計算光子數(shù)量，這并不容易。”黃勁松解釋說，“我們的實驗表明，我們可以制作能夠將信號與噪聲區(qū)分開來的材料。”最近，黃勁松開辦了一家公司，計劃將其團隊研究的輻射探測器商業(yè)化。

在鈣鈦礦熒光或直接X射線成像儀真正進入市場前，仍然有許多障礙需要克服。有的鈣鈦礦對濕度很敏感，這就是一個很大的障礙。劉小鋼開發(fā)了一種方式：給每個納米晶體涂上二氧化硅。他還在研究其他保護措施。還可以像傳統(tǒng)太陽能電池那樣，將鈣鈦礦密封在玻璃中。

總的來說，鈣鈦礦X射線成像儀應用環(huán)境條件比較溫和，不需要像鈣鈦礦PV電池或LED那樣堅固。太陽能電池板即使暴露在自然環(huán)境中20年后仍然要能工作，LED也要暴露在熱和光之中，這兩者都會使鈣鈦礦化合物退化。相比之下，X線機則一般在環(huán)境氣候受控的條件下使用。因此，劉小鋼和黃勁松二人均相信鈣鈦礦X射線探測器會比其他鈣鈦礦應用更快地實現(xiàn)商業(yè)化。

黃勁松預測，鈣鈦礦探測器將打開X射線的新應用，擴展這個已經(jīng)達到數(shù)十億美元規(guī)模的行業(yè)。效率更高的成像儀耗電量更低，因此可以制成使用電池的便攜設備。劉小鋼的團隊還展示了各種能發(fā)出有色光的可調(diào)鈣鈦礦納米晶體。這一成果能夠使X射線顯示變成彩色，這一點是當今的熒光X線機做不到的。

由于使用了柔性基板，鈣鈦礦成像儀能夠適應掃描對象，那些曾經(jīng)在乳腺射線檢查中有過不適體驗的人將會感激這項功能。更快、更靈敏的成像儀還可以減少牙科醫(yī)療X光機、機場安檢X光機的輻射量。

“等我們能夠讓X射線更安全的時候，市場也就會因此而改變，探測器可以放在任何地方。”黃勁松說。