I en ny rapport om Vetenskapens framsteg , Hsinhan Tsai och ett forskarteam inom material, nanoteknik, kärnteknik och röntgenvetenskap vid Los Alamos National Laboratory och Argonne National Laboratory i USA demonstrerade en ny tunnfilmsröntgendetektorprototyp. Uppsättningen innehöll mycket kristallina tvådimensionella (2-D) Ruddlesden-Popper (RP) fasskiktade perovskiter och bibehöll en hög diodresistivitet på 10 ¹² Ohm.cm, vilket leder till en hög röntgenkänslighet på upp till 0,276 C Gy _luft ⁻¹ centimeter ⁻³ . Att lova revolutionerande medicinsk bildbehandling med minimala hälsorisker. Teamet samlade in signalerna med hjälp av den inbyggda potentialen och resultaten underbygger driften av befintliga robusta primära fotoströmsenheter. Detektorerna genererade avsevärda röntgenfoton-inducerade öppen kretsspänningar som en alternativ detekteringsmekanism. Arbetet föreslår en ny generation av röntgendetektorer baserade på låg kostnad, skiktade perovskitfilmer för framtida röntgentekniker.

Solid state-strålningsdetektorer kan direkt omvandla röntgensignaler (strålningsfotoner) till elektrisk ström eller laddningar, med överlägsen känslighet och hög räknehastighet. Enheterna kan överträffa andra detektionstekniker som används för att möta kritiska behov i medicinska och säkerhetsapplikationer och i avancerade fotonkällor. För att bestämma enhetens detektivitet eller känslighet och lösa över det mörka bruset i en högpresterande röntgendetektor, forskare måste minimera mörkströmsamplituden vid omvänd bias och lösa upp strömmen som genereras vid låg röntgendos.

Processen kräver högrena halvledare och helt utarmade korsningar över aktiva regioner, medan halvledande material som används för detektion också måste vara robusta. Forskare använder för närvarande högrena halvledande enkristaller som arbetar under höga spänningar över aktiva regioner för att uppfylla dessa krav. Sådana detektorer, dock, behöver en hög driftspänning över en stor tjocklek (~ 1 cm), som orsakar tekniska utmaningar som laddningsdrift eller höga tillverkningskostnader för att upprätthålla stora volymer av monokristaller i skalbara bildapplikationer.

I det här arbetet, Tsai et al. designade en ny typ av tunnfilmsanordning gjord i p-i-n-övergångskonfiguration (tre olika dopade regioner inklämda mellan den p- och n-dopade regionen) med användning av 2-D perovskit för att effektivt detektera röntgenfotoner. Genom att använda synkrotronbetesincidens vidvinkelröntgenspridningsmätningar (GIWAXS), teamet bekräftade överlägsen kristallinitet och den föredragna orienteringen i den tunna 2D-filmen. För att testa genomförbarheten av perovskit som strålningsdetektor, de beräknade den linjära röntgenabsorptionskoefficienten (µ ₁ ) som en funktion av infallande energi för tre olika material, där värdena för perovskitmaterialen var 10 till 40 gånger högre än för kisel. Teamet utforskade den starka röntgenabsorptionen som observerades vid perovskitmaterial, för att uppnå laddningstransport och uppsamling över två elektroder. Den mörka strömtätheten för 2-D RP (Ruddlesden-Popper) enheten indikerade en hög mörkresistivitet på 10 ¹² Ohm.cm som ett resultat av stiftövergången och de effektiva mörkströmsblockerande skikten i dess konstitution. När de exponerade enheterna för en röntgenkälla, teamet observerade en enorm ökning av röntgeninducerad strömtäthet (J _x ) vid noll förspänning (kortslutning). Liknande, 2D-enhetens funktioner bidrog också till en större öppen kretsspänning på 650 mV under röntgenexponering vid kortslutning, jämfört med en kiseldiod (~250 mV).

För att förstå prestandan hos den överlägsna detektorn, Tsai et al. undersökte enhetens effekt- och fältberoende J-V (strömdensitet) egenskaper på djupet. När de plottade J-V-kurvorna under olika röntgenfotonflöden, enhetens signaler minskade med minskande fotonflöde. Ytterligare observationer antydde nästan idealisk laddningsuppsamlingseffektivitet under röntgenexponering på grund av tunnfilmsstiftövergångsdesign. Resultaten visade effektiviteten hos tunnfilmsdetektorn även vid låg dosexponering. Den höga tomgångsspänningen (V _OC =650 mV) genererad i enheten på grund av den höga bärartätheten indikerade ytterligare dess användning som en alternativ detektionsparameter, när V _OC skalas linjärt med fotonflödet under experiment.

Teamet mätte därefter röntgenluminescensspektra för den tunna perovskitfilmen genom att undersöka dess synliga emissionssignal under röntgenexcitation. Den joniserade laddningsrekombinationsvägen hjälpte till att få djupare insikt i detektorns funktionsmekanism. Baserat på observationerna, Tsai et al. noterade att när högenergiröntgen exciterade materialet, laddningarna lavinerade och joniserade med mycket högre energi. Laddningarna transporterades sedan genom tillstånd med hög och låg energi för deras eventuella uppsamling, ger en elektrisk signal. Processerna tillät hög röntgeninducerad elektrisk strömsignal och högt V _OC generation utan termisk förlust för att demonstrera den enastående prestandan i röntgendetektion i studien.

En annan fördel med tunnfilms 2D-enhetsarkitekturen inkluderade ett stort inbyggt fält, vilket underlättade snabb extraktion av röntgenbärare. Teamet stabiliserade enhetens prestanda under 30 cykler av spänningsskanningar och röntgenexponeringar och visade stabilitet hos den tunna filmen under både bias och röntgenexponering. På det här sättet, Hsinhan Tsai och kollegor utvecklade en högkvalitativ skiktad perovskit tunn film för att konstruera en lovande kandidat för att upptäcka strålning. Den tunnfilmsdesignade enheten tillät hög känslighet med en förbättrad detektionsgräns. Enheten drivs med låg extern förspänning för stabil detektering av både lågenergiröntgen och joner, med potentiella tillämpningar brett inom medicin och rymdvetenskap.

© 2020 Science X Network