Eine Detektionstechnologie, die in der Lage ist, scharfe Bilder aus ultraniedrigen Röntgenstrahlendosen zu erzeugen, könnte die Sicherheit der medizinischen Röntgenbildgebung verbessern. Die Erfindung erreicht eine hohe Empfindlichkeit durch den Einsatz neuartiger Einkristallanordnungen aus Perowskit als Röntgendetektionsmaterialien.
Obwohl Röntgengeräte nach wie vor eine wesentliche Form der medizinischen Bildgebung darstellen, handelt es sich bei Röntgenstrahlen um eine hochenergetische Form ionisierender Strahlung, und hohe Dosen sind mit einem erhöhten Krebsrisiko verbunden. Wenn die Röntgenstrahlenbelastung innerhalb sicherer Grenzen gehalten wird, wird die medizinische Verwendung eingeschränkt.
Derzeit wird intensiv geforscht, um Materialien zu identifizieren, die die Empfindlichkeit von Röntgendetektoren erhöhen könnten, sodass hochwertige medizinische Bilder mit sehr geringen Röntgenstrahlendosen erhalten werden könnten.
« In den letzten Jahren haben viele einkristalline Perowskitmaterialien hervorragende Leistungen bei der Röntgendetektion gezeigt “, erklärt Xin Song, Forscher bei KAUST und Mitglied der Forschungsgruppe von Omar Mohammed, der die Arbeit leitete.
Wenn ein Röntgenphoton auf einen Perowskit-Halbleiterkristall trifft, erzeugt es ein Paar elektrischer Ladungen, eine positive und eine negative. Wenn diese Ladungen die Elektroden an den Rändern des Perowskits erreichen, erzeugen sie einen Photostrom, aus dem Röntgenbilder erzeugt werden können.
Um die Leistung von Perowskit-Röntgendetektoren weiter zu verbessern, zielte das Team auf den „dunklen Strom“ der Materialien. „. Dunkelstrom werde vor allem durch durch Wärme erzeugte Ladungsträger und Leckströme im Inneren des Geräts verursacht, fügt sie hinzu.
Dunkelstrom in einem Röntgendetektor kann niedrig dosierte Röntgensignale verdecken und zusätzliches Rauschen verursachen. „ Dies verringert das Signal-Rausch-Verhältnis und wirkt sich negativ auf die Gesamtleistung des Geräts aus », weist Frau Song weiter darauf hin.
Das Forschungsteam hat nun gezeigt, dass ein Ansatz namens Kaskadentechnik den Dunkelstrom wirksam unterdrücken kann. „ Bei der Kaskadentechnik geht es darum, eine Art von Einkristallen in Reihe zu schalten », sagt Herr Mohammed. Durch die Reihenschaltung von Kristallen erhöht sich der elektrische Widerstand zwischen den Geräten. „ Dadurch können der Dunkelstrom und das Rauschen des Geräts wirksam reduziert werden, ohne die durch Röntgenstrahlen erzeugten Ladungsträger zu beeinträchtigen, wodurch die Leistung des Detektors verbessert und seine Nachweisgrenze verringert wird.»
Das Team entwickelte ein Gerät auf Basis eines Perowskits namens Methylammoniumbleibromid (MAPbBr3), um das Konzept der Kaskadentechnik zu testen. „ Dieses Material weist eine relativ hohe Stabilität auf und der Syntheseprozess ermöglicht die Herstellung von MAPbBr3-Einkristallen mit ausgezeichneter Reproduzierbarkeit “, erklärt Herr Song. Diese Eigenschaften machen dieses Material zu einem idealen Kandidaten für die Herstellung von Röntgendetektoren mit erheblichem kommerziellem Potenzial, fügt sie hinzu.
Die Forscher testeten die Reihenschaltung von 1 bis 4 Einkristallen und zeigten, dass eine Erhöhung der Anzahl der Reihenschaltungen den Dunkelstrom wirksam reduzierte. Allerdings verringerte die Erhöhung der Anzahl der Kristalle auch die Nachweisempfindlichkeit des Geräts. „ Wir fanden heraus, dass durch die Reihenschaltung zweier Kristalle die niedrigste Nachweisgrenze bei gleichzeitig höherer Empfindlichkeit erreicht wurde », präzisiert Herr Song. Durch die Kaskadenkopplung zweier Kristalle konnte die Nachweisgrenze von 590 nGy-s-1 auf nur 100 nGy-s-1 gesenkt werden.
« Derzeit untersuchen wir die Kaskadenstruktur für weitere Perowskit-Einkristalle mit dem Ziel, deren Nachweisgrenzen weiter zu senken », schließt Herr Mohammed.
Das Team arbeitet außerdem an der Kaskadierung von MAPbBr3-Einkristallen für die medizinische Bildgebung in der Praxis.
Bildunterschrift: Durch die Anwendung des Kaskadentechnik-Ansatzes auf Methylammonium-Blei-Perowskit-Bromid (MAPbBr3) haben KAUST-Forscher einen Röntgendetektor mit erhöhter Leistung und niedrigerer Nachweisgrenze entwickelt.
Song, X., Zhang, Ultra-Niedrigdosis-Detektion mit einem kaskadenbasierten Ansatz. ACS Zentralwissenschaft102082–2089 (2024).| Artikel
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