X射線探測(cè)有可能成為鈣鈦礦的殺手級(jí)應(yīng)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(gè)最有發(fā)展?jié)摿Φ挠猛荆蔷褪荴射線探測(cè)器。

目前全球有幾十個(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(cè)器的靈敏度高，且能耗低。在某些特定的應(yīng)用中，還可以對(duì)材料進(jìn)行調(diào)整，使其在被輻射時(shí)發(fā)出彩色光。

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

在一次實(shí)驗(yàn)中，新加坡國(guó)立大學(xué)的劉小鋼團(tuán)隊(duì)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(cè)器。在試驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)去除了CsI(TI)涂層，替換為銫鉛溴納米晶體層（一種無(wú)機(jī)鈣鈦礦），直接將其涂在了光電二極管陣列上。據(jù)該團(tuán)隊(duì)在去年9月《自然》雜志上的報(bào)告，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光機(jī)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(tuán)隊(duì)的方法測(cè)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?！睘榱诵纬赦}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(yùn)，因?yàn)槲覀儼l(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?！?/p>

研究人員還展示了鈣鈦礦在直接X射線探測(cè)器中遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于商業(yè)成像儀的性能。北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校的黃勁松及其團(tuán)隊(duì)從2014年開始就一直在研究基于鈣鈦礦的直接X射線探測(cè)器。（黃勁松也參與了鈣鈦礦光電工作。）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。

“要讓探測(cè)器具備非常高的效率和靈敏度，你需要計(jì)算光子數(shù)量，這并不容易。”黃勁松解釋說，“我們的實(shí)驗(yàn)表明，我們可以制作能夠?qū)?a target="_blank">信號(hào)與噪聲區(qū)分開來(lái)的材料?！弊罱?，黃勁松開辦了一家公司，計(jì)劃將其團(tuán)隊(duì)研究的輻射探測(cè)器商業(yè)化。

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

總的來(lái)說，鈣鈦礦X射線成像儀應(yīng)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(jiān)固。太陽(yáng)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(huì)使鈣鈦礦化合物退化。相比之下，X線機(jī)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(cè)器會(huì)比其他鈣鈦礦應(yīng)用更快地實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

黃勁松預(yù)測(cè)，鈣鈦礦探測(cè)器將打開X射線的新應(yīng)用，擴(kuò)展這個(gè)已經(jīng)達(dá)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(shè)備。劉小鋼的團(tuán)隊(duì)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(diǎn)是當(dāng)今的熒光X線機(jī)做不到的。

由于使用了柔性基板，鈣鈦礦成像儀能夠適應(yīng)掃描對(duì)象，那些曾經(jīng)在乳腺射線檢查中有過不適體驗(yàn)的人將會(huì)感激這項(xiàng)功能。更快、更靈敏的成像儀還可以減少牙科醫(yī)療X光機(jī)、機(jī)場(chǎng)安檢X光機(jī)的輻射量。

“等我們能夠讓X射線更安全的時(shí)候，市場(chǎng)也就會(huì)因此而改變，探測(cè)器可以放在任何地方?！秉S勁松說。