用於高性能X射線探測的無鉛鹵化物鈣鈦礦檢視原始碼討論檢視歷史
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用於高性能X射線探測的無鉛鹵化物鈣鈦礦用於高性能X射線探測的無鉛鹵化物鈣鈦礦 Cs3Bi2Br9單晶,金屬鹵化物鈣鈦礦具有低的缺陷態密度、長的載流子擴散長度以及對X射線和γ射線大的吸收係數等優異性質,在核輻射探測領域展現出廣闊的應用前景。
成果簡介
金屬鹵化物鈣鈦礦具有低的缺陷態密度、長的載流子擴散長度以及對X射線和γ射線大的吸收係數等優異性質,在核輻射探測領域展現出廣闊的應用前景。然而,含有毒性的Pb被認為是限制鹵化物鈣鈦礦材料廣泛應用的主要因素之一。全無機Bi基類鈣鈦礦單晶材料兼具Pb基鈣鈦礦材料優異的光電性質、環境「友好」、性能穩定、缺陷密度低、無晶界引起的載流子複合效應等優點,成為研製高性能核輻射探測器重要的侯選材料之一。 針對三維鈣鈦礦晶體電阻率偏低、離子遷移嚴重、Pb的毒性以及有機-無機雜化鈣鈦礦熱穩定性差等問題,山東大學晶體材料國家重點實驗室[1]首次採用垂直布里奇曼法生長了一種新型的二維無鉛鈣鈦Cs3Bi2Br9晶體(圖1)。本成果中,室溫下Cs3Bi2Br9晶體沿a軸和c軸都具有極低的熱導率,分別為0.25 和0.24 W m-1 K-1;a和c軸的熱膨脹係數分別為5.02 ´ 10-5和2.96 ´ 10-5 K-1。其大的熱膨脹各向異性以及二維層狀結構的解理習性導致Cs3Bi2Br9晶體在冷卻過程中易產生裂紋缺陷。此外,研究人員首次在Cs3Bi2Br9晶體中發現了CsBr包裹體缺陷,通過工藝參數的優化抑制了包裹體和裂紋的產生,獲得了直徑26 mm長度55 mm的英寸尺寸直徑的晶體。 二維層狀結構的Cs3Bi2Br9晶體的電阻率高達1.41 × 1012 Ω cm,離子激活能為1032.4 meV,遷移率壽命積為8.32×10-4 cm2 V-1,這些優良的電學性質為高性能的X射線探測奠定了材料基礎。Cs3Bi2Br9晶體的(1¯20)晶面垂直結構和平面結構探測器的X射線探測性能表現出大的差異(圖2)。在100 V的電壓下,平行結構器件的靈敏度為181 μC Gyair−1 cm−2。然而對於垂直結構器件,在100 V電壓下的靈敏度僅為8.53 μC Gyair-1cm-2。進一步的研究表明,Cs3Bi2Br9單晶表現出優異的硬X射線探測性能,在10000 Vcm-1的高電場強度下,Cs3Bi2Br9單晶表現出非常穩定的暗電流特性,暗電流漂移僅為2.8×10-10nA cm-1 s-1 V-1。對120 keV硬X射線探測的靈敏度達到1705 μC Gyair-1 cm-2 ,最低檢測限僅為0.58 nGyair s-1 ,比目前商用醫療探測器輻射劑量標準低4個數量級。 此外,室溫環境中放置45天後,在12.24 μGyair s−1的劑量率下Cs3Bi2Br9單晶探測器光電流基本穩定且無信噪比損失。為了模擬人體醫療傷害,通過X射線成像再現了醫學成像演示(圖4c和d)。當在40 keV軟X射線成像時,難以區分豬肉和內部的金屬螺釘。相比之下,在120 keV硬X射線時,可以清楚地分辨出豬肉和內部的螺釘。上述研究表明,Cs3Bi2Br9單晶在低劑量醫用X射線成像領域具有重要的應用前景。
經濟效益與社會效益
X射線探測在醫療成像檢測等領域具有重要應用,目前商用的α-Se探測器[2]靈敏度低、檢測限高,導致拍X光片對病人的傷害較大。該成果報道了一種無鉛鈣鈦礦單晶的生長及高性能X射線探測器的製備,有望降低醫用X射線探測所需的X射線劑量。
參考文獻
- ↑ 重點實驗室評審條件有哪些 申報重點實驗室需要什麼材料 ,搜狐,2023-04-12
- ↑ 探測器的定義及分類 資源三號 礦產地質解譯 地質製圖 ,搜狐,2023-06-16