“无机-有机”混合半导体曲面X射线探测器，实现更卓越的下一代医疗成像
2021-12-11 16:13:04 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
英国萨里大学研究人员打造一种革命性的新型高灵敏度X射线探测器。这项技术在医疗成像和其他X射线应用领域具有巨大的潜力。
数字平板探测器是目前临床X射线成像系统的核心。不过，平面探测器并不匹配复杂的人体3D形貌。更好的选择或将是曲面探测器，与平面探测器相比，曲面探测器可以最大限度地减少图像边缘周围的失真和渐晕。然而，由于底层无机（主要是硅基）半导体技术的刚性和脆性，制造柔性探测器的努力迄今尚未成功。
采用“无机-有机”混合半导体构建曲面X射线探测器，或能成为非常有前景的替代方案。一种候选结构是将氧化铋纳米颗粒整合到由p型聚合物P3HT和n型PC70BM组成的有机体异质结（BHJ）中，构建一种“无机-有机”混合半导体。
为了使这种材料有效地发挥曲面探测器的作用，它必须结合高可弯曲性和优异的探测性能。据麦姆斯咨询报道，英国萨里大学（University of Surrey）的一支团队研究了P3HT分子量对这些掺入纳米颗粒的BHJ（NP- BHJ）X射线探测器的机械和电学性能影响。
近日，研究人员在Advanced Science杂志上报道了他们的研究成果，他们发现通过调整有机半导体的分子量以延长聚合物链，可以制造医疗成像应用的坚固、高灵敏度的曲面X射线探测器。
“我们的曲面探测器概念展示了卓越的机械稳定性，可使弯曲半径小至1.3 mm。”该论文主要作者Prabodhi Nanayakkara在一篇新闻中表示，“相比需要高成本晶体生长方法的传统硅或锗无机半导体，采用有机或‘无机-有机’半导体还更具成本效益。”
P3HT分子量对NP-BHJ探测器性能的影响。a）本研究中使用的刚性探测器结构示意图；b）X射线吸收剂Bi₂O₃、供体聚合物P3HT和PC₇₀BM受体的结构。
性能参数评估
为了研究P3HT分子量对探测器性能的影响，Nanayakkara及其同事采用四种P3HT分子量（25、37、46和55 kDa）构建了刚性NP-BHJ探测器（这四种分子量常用于P3HT光电子器件）。他们在玻璃衬底上制造探测器，并加入55 µm厚的NP-BHJ薄膜。
该研究团队评估了一系列参数，包括暗电流、光电流特性和电荷传输特性等。发现探测器暗电流随聚合物分子量的减小而降低。然而，在施加−10 ~ −200 V的偏压下，所有器件都显示出符合工业要求10 pA/mm²内的低暗电流。对于最低P3HT分子量，器件灵敏度略高，检测限（对于70 kV X射线源）约为1.5 µGy/s，优于诊断成像所提出的需求。
尽管上述四种器件的性能参数不同，但研究人员强调，评估的所有P3HT分子量都提供了极好的探测器响应特性，包括超低暗电流、高灵敏度和快速响应时间，突显了NP-BHJ探测器用于低剂量成像和剂量测定的潜力。
可弯曲性优化
接下来，该研究团队评估了各种探测器结构的机械性能。X射线探测器需要更高的结晶度才能实现令人满意的电荷提取。但对于曲面探测器，较高的结晶度可能导致机械缺陷。为了确定最合适曲面X射线探测器的P3HT分子量，研究人员在NP-BHJ薄膜上进行了掠入射广角X射线散射测量。
研究发现，较高P3HT分子量制成的薄膜结晶度较低，表明此类薄膜具有更多可在结晶区之间桥接的非晶态区。这些非晶态区还增加了分子间的相互作用和链间缠结，从而实现更大的形变。
研究人员还研究了衬底厚度对各种NP-BHJ薄膜纳米机械性能的影响。他们分别在厚度低于（25 µm）、约等于（50 µm）和高于（75 µm）55 µm NP-BHJ层的柔性聚酰亚胺衬底上制造了探测器。
其机械性能取决于P3HT分子量和衬底厚度。较低分子量的探测器更硬且极脆，而在较薄衬底上制造的探测器会过度卷曲，并容易从衬底上分层。
基于结晶度和纳米力学分析，研究人员预测，较高的P3HT分子量和较厚的柔性衬底最适合制造曲面X射线探测器。有基于此，他们测试了三种探测器（75 µm衬底上46和55 kDa P3HT，以及50 µm衬底上55 kDa P3HT）在不同弯曲半径下对40 kV X射线辐照的响应。
所有探测器均表现出优异的弯曲性能，即使弯曲半径小至1.3 mm，也能保持约0.17 µC/Gy/cm²的灵敏度和小于1 pA/mm²的暗电流。该团队通过在1.3 mm弯曲半径范围内进行动态弯曲循环，证明了探测器的机械稳定性。100次循环后，探测器的灵敏度变化小于2.8%。
该论文通讯作者Ravi Silva称：“凭借我们的设计和材料使用，我们展示的技术将有助于打造一种革命性的新型高灵敏度X射线探测器。这项技术在医疗成像和其他X射线应用领域具有巨大的潜力，因此，我们正在与独立出来运营的SilverRay公司合作，希望将这项技术商业化为高灵敏度、高分辨率的柔性大面积X射线探测器首选。”
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