基于CMOS芯片的高分辨、低劑量鈣鈦礦直接轉化X射線探測器研制成功

X射線探測與成像在生物醫(yī)學、工業(yè)檢測和安防安檢等領域應用廣泛。當前商用的閃爍體（例如碘化銫）間接轉化X射線探測器存在二次光電轉化效率低、空間分辨率受限等技術瓶頸，無法滿足高端醫(yī)學影像和精密工業(yè)檢測等需求。相比之下，基于半導體材料的直接轉化X射線探測器只需要一次光電轉換，就可直接將X射線轉換成電信號，具有更高的光電轉換效率和空間分辨本領，是下一代高端X射線探測器發(fā)展的前沿。

近日，中國科學院深圳先進技術研究院與華中師范大學合作，在權威刊物Nature Communications在線發(fā)表研究論文“Dynamic X-ray imaging with screen-printed perovskite CMOS array”。

團隊經過兩年多的聯(lián)合攻關，先后解決了鈣鈦礦半導體晶體生長動力學、專用低暗電流CMOS像素芯片、數(shù)據讀出與圖像后處理等一系列關鍵挑戰(zhàn)，最終在國際上首次成功研制了基于CMOS像素芯片的高分辨、低劑量鈣鈦礦直接轉化X射線探測器。

中國科學院深圳先進技術研究院喻學鋒研究員和鄭海榮研究員、華中師范大學孫向明教授、中國科學院深圳先進技術研究院葛永帥研究員為本文共同通訊作者，中國科學院深圳先進技術研究院劉延亮副研究員和華中師范大學高超嵩副教授為本文共同第一作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-45871-2

近年來，鈣鈦礦半導體憑借優(yōu)異的光電特性在直接轉化X射線探測領域備受關注。本研究工作創(chuàng)新性地開發(fā)了液相法絲網印刷工藝，通過對鈣鈦礦晶體生長結晶過程中的動力學調控，在CMOS芯片上直接原位生長鈣鈦礦半導體光敏層，獲得了厚度可控、致密均勻且光電特性優(yōu)異的鈣鈦礦光敏層，材料的遷移率和壽命乘積高達5.2×10-4cm2V–1，X射線探測靈敏度高達1.6×104μC Gyair–1cm–2。CMOS芯片以300幀/秒的頻率分別沿垂直和水平方向連續(xù)掃描樣品，實現(xiàn)對小鼠和雞腿組織等樣品的大面積投影成像（尺寸≥5cm×10cm）與斷層成像。相比傳統(tǒng)的間接轉化CMOS探測器，實驗結果表明，該新型鈣鈦礦直接轉化CMOS探測器有望降低50%以上的輻射劑量，同時保持優(yōu)異的空間分辨率（5.0 lp mm–1）。

本工作具有顯著的基礎研究與應用研究相互交叉融合的特色，為打破國外長期技術封鎖與壟斷、研發(fā)具有自主知識產權的下一代高性能X射線探測器提供技術保障。

鈣鈦礦直接轉化CMOS探測器及高分辨、低劑量生物醫(yī)學成像結果。

該研究工作獲得了深圳市基礎研究重點項目、國家自然科學基金重點項目、中國科學院醫(yī)學成像科學與技術系統(tǒng)(全國)重點實驗室和國家高性能醫(yī)療器械創(chuàng)新中心等機構的資助。

審核編輯：劉清