In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Hsinhan Tsai en een onderzoeksteam in materialen, nanotechnologie, nucleaire techniek en röntgenwetenschap in het Los Alamos National Laboratory en het Argonne National Laboratory in de VS demonstreerden een nieuw prototype van een dunne-film röntgendetector. De opstelling bevatte zeer kristallijne tweedimensionale (2-D) Ruddlesden-Popper (RP) fasegelaagde perovskieten en handhaafde een hoge diodeweerstand van 10 ¹² Ohm.cm, wat leidt tot een hoge röntgendetectiegevoeligheid van maximaal 0,276 C Gy _lucht ⁻¹ cm ⁻³ . Om revolutionaire medische beeldvorming te beloven met minimale gezondheidsrisico's. Het team verzamelde de signalen met behulp van het ingebouwde potentieel en de resultaten ondersteunen de werking van bestaande robuuste primaire fotostroomapparaten. De detectoren genereerden aanzienlijke door röntgenfotonen geïnduceerde nullastspanningen als een alternatief detectiemechanisme. Het werk suggereert een nieuwe generatie röntgendetectoren op basis van goedkope, gelaagde perovskiet dunne films voor toekomstige röntgenbeeldvormingstechnologieën.

Solid state stralingsdetectoren kunnen röntgensignalen (stralingsfotonen) direct omzetten in elektrische stroom of ladingen, met superieure gevoeligheid en een hoge telsnelheid. De apparaten kunnen beter presteren dan andere detectietechnieken die worden gebruikt om te voldoen aan kritieke behoeften in medische en beveiligingstoepassingen en in Advanced Photon Source-faciliteiten. Om de detectiviteit of gevoeligheid van het apparaat te bepalen en boven de donkere ruis op te lossen in een hoogwaardige röntgendetector, wetenschappers moeten de donkerstroomamplitude bij omgekeerde voorspanning minimaliseren en de stroom oplossen die wordt gegenereerd bij een lage röntgendosering.

Het proces vereist zeer zuivere halfgeleiders en volledig lege juncties over actieve regio's, terwijl halfgeleidende materialen die worden gebruikt voor detectie ook robuust moeten zijn. Onderzoekers gebruiken momenteel zeer zuivere halfgeleidende eenkristallen die werken onder hoge spanningen in actieve gebieden om aan deze vereisten te voldoen. dergelijke detectoren, echter, een hoge bedrijfsspanning nodig hebben over een grote dikte (~ 1 cm), die technische uitdagingen veroorzaken, zoals ladingsdrift of hoge fabricagekosten om grote hoeveelheden eenkristallen in schaalbare beeldvormingstoepassingen te behouden.

In dit werk, Tsai et al. ontwierp een nieuw type dunnefilmapparaat gemaakt in een p-i-n-junctieconfiguratie (drie verschillend gedoteerde gebieden ingeklemd tussen het p- en n-gedoteerde gebied) met behulp van 2-D perovskiet om röntgenfotonen efficiënt te detecteren. Met behulp van synchrotron grazing incidentie groothoek röntgenverstrooiing (GIWAXS) metingen, het team bevestigde superieure kristalliniteit en de voorkeursoriëntatie in de 2-D dunne film. Om de haalbaarheid van perovskiet als stralingsdetector te testen, ze berekenden de lineaire röntgenabsorptiecoëfficiënt (µ ₁ ) als functie van invallende energie voor drie verschillende materialen, waar de waarden voor de perovskietmaterialen 10 tot 40 keer hoger waren dan die van silicium. Het team onderzocht de sterke röntgenabsorptie die werd waargenomen bij perovskietmaterialen, om ladingstransport en -verzameling over twee elektroden te bereiken. De donkere stroomdichtheid voor het 2-D RP (Ruddlesden-Popper) apparaat duidde op een hoge donkere weerstand van 10 ¹² Ohm.cm als gevolg van de pinovergang en de efficiënte donkerstroom blokkerende lagen in zijn samenstelling. Toen ze de apparaten blootstelden aan een röntgenbron, het team observeerde een gigantische toename van de door röntgenstraling geïnduceerde stroomdichtheid (J _x ) bij nul bias (kortsluiting). evenzo, de kenmerken van het 2D-apparaat droegen ook bij aan een grotere nullastspanning van 650 mV bij blootstelling aan röntgenstraling bij kortsluiting, vergeleken met een siliciumdiode (~ 250 mV).

Om de prestaties van de superieure detector te begrijpen, Tsai et al. onderzocht de vermogens- en veldafhankelijke J-V (stroomdichtheid) kenmerken van het apparaat in de diepte. Toen ze de J-V-curven onder verschillende röntgenfotonfluxen uitzetten, de apparaatsignalen namen af ​​met afnemende fotonflux. Verdere waarnemingen suggereerden een bijna ideale efficiëntie van het verzamelen van ladingen onder röntgenblootstelling als gevolg van het ontwerp van de dunne-film-penovergang. De resultaten toonden de efficiëntie van de dunnefilmdetector aan, zelfs bij blootstelling aan lage doseringen. De hoge nullastspanning (V _OC =650 mV) gegenereerd in het apparaat vanwege de hoge dragerdichtheid, gaf verder het gebruik aan als een alternatieve detectieparameter, wanneer V _OC lineair geschaald met de fotonflux tijdens experimenten.

Het team heeft vervolgens de röntgenluminescentiespectra van de perovskiet-dunne film gemeten door het zichtbare emissiesignaal ervan onder röntgenexcitatie te onderzoeken. De recombinatieroute van geïoniseerde lading hielp om dieper inzicht te krijgen in het operationele mechanisme van de detector. Op basis van de waarnemingen, Tsai et al. merkte op dat wanneer hoogenergetische röntgenstraling het materiaal aansloeg, de ladingen lawines en geïoniseerd op veel hogere energie. De ladingen worden vervolgens door staten van hoge en lage energie getransporteerd voor hun uiteindelijke verzameling, een elektrisch signaal afgeven. De processen maakten een hoog door röntgenstraling geïnduceerd elektrisch stroomsignaal en een hoge V . mogelijk _OC generatie zonder thermisch verlies om de uitstekende prestaties in röntgendetectie in het onderzoek aan te tonen.

Een ander voordeel van de dunne-film 2D-apparaatarchitectuur was een groot ingebouwd veld, die de snelle extractie van röntgendragers vergemakkelijkte. Het team stabiliseerde de prestaties van het apparaat voor 30 cycli van spanningsscans en röntgenbelichtingen en toonde stabiliteit van de dunne film onder zowel bias als röntgenblootstelling. Op deze manier, Hsinhan Tsai en collega's ontwikkelden een hoogwaardige gelaagde perovskiet-dunne film om een ​​veelbelovende kandidaat te ontwikkelen om straling te detecteren. Het ontwerp van het dunne-filmapparaat maakte een hoge gevoeligheid mogelijk met een verbeterde detectielimiet. Het apparaat werkte met een lage externe bias voor stabiele detectie van zowel energiezuinige röntgenstraling als ionen, met potentiële toepassingen in de geneeskunde en ruimtewetenschap.

© 2020 Wetenschap X Netwerk