高灵敏度有机-无机杂化X射线探测器的研制

摘要XrR安检之家

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X射线探测器对医疗诊断、癌症治疗和国土安全至关重要，由于系统成本和/或探测器尺寸的限制，许多潜在用途受到限制。目前的X射线探测器灵敏度受到材料的体X射线衰减的限制，因此需要厚晶体（约1 mm–1 cm），从而导致刚性结构、高工作电压和高成本。本文介绍了一种破坏性、灵活性、低成本、宽带、高灵敏度的直接X射线转导技术，该技术通过在有机体异质结中嵌入高原子序数的氧化铋纳米粒子来实现。这些混合型探测器在医用直线加速器产生的6 MV和15 MV“硬”X射线下显示了1712μC C−1 1 C−1 cm−3和~30和58 C mGy−1 cm−3的灵敏度；与目前的固态探测器相比，它们在低偏压（−10 V）和低功率下实现，启用硬币电池供电的探测器操作。XrR安检之家

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介绍XrR安检之家

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X射线广泛应用于国土安全、治疗和诊断保健以及工业过程控制（如制药），每种应用都需要特定的探测器要求1。例如，基于非晶态硒2等材料的直接转换探测器目前用于乳房X光照相术，但由于其能量高于50千电子伏的低X射线衰减而受到限制。基于具有高抗辐射损伤能力的p型硅探测器用于放射治疗中进行剂量测量或束流成像3。然而，由于环境影响，它们容易受到累积剂量和漂移的损害，这使得它们在束流校准中的作用降低4。高质量的Cd（Zn）Te5单晶用于国土安全安检，但存在尺寸小、成本高、载流子俘获和高压操作（>500 V）等缺点。类似地，目前无损评估部门的X射线检测主要由与a-Si耦合的CsI（Tl）闪烁屏控制，尽管其具有较高的阻止能力和空间分辨率，但其尺寸仅限于60   60 cm2。因此，对宽带、高灵敏度、低成本的辐射探测器提出了更高的要求，而现有的无机探测器无法满足这一需求。XrR安检之家

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有机半导体可以以一种灵活的形式在大面积上制造，使其能够以较低的成本与复杂的结构相容，并且现在已经商业化用于光电、显示器等。用于X射线探测的有机光电探测器越来越受到重视7,8。这通常涉及闪烁屏与有机光电二极管9的耦合、高原子序数（Z）纳米颗粒（NPs）10、量子点11或闪烁粒子插入有机二极管12，或使用薄膜有机半导体8或晶体13。由于X射线探测器通常已经成熟，因此X射线探测器的首选技术是X射线探测器。然而，有机半导体对光的吸收形成了束缚电子-空穴对（激子），这些电子空穴对需要离解12，从而导致严重的损耗，限制了探测器的灵敏度，而不是直接转换过程。XrR安检之家

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在此，我们介绍了一种基于薄膜的、由有机体异质结（BHJ）-氧化铋（Bi2O3）NP复合物组成的混合半导体二极管的宽带、直接X射线探测器概念。这些直接X射线探测器在50 kV软X射线下显示了1712μC mGy−1 cm−3的高灵敏度，以及在6 MV和15 MV硬X射线下的高灵敏度。此外，我们还展示了一种基于相同器件概念的柔性探测器，该探测器具有280 C mGy−1 cm−3的高灵敏度。更重要的是，这些灵敏度是在−10 V下实现的。XrR安检之家

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结果XrR安检之家

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BHJ-NP探测器的X射线响应XrR安检之家

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该器件破坏了二极管结构，其中BHJ-NP复合材料夹在铟锡氧化物（ITO）和铝（Al）电极之间（图1a）。这里，引入Bi2O3（Bi的Z = 83）用于增加X射线衰变14。我们从多种金属氧化物中选择了Bi2O3，这是基于其对X射线的直接转化，与高Z Pb基半导体相比，其环境影响和健康风险更低。鉴于其作为无毒牙科材料的现有用途，例如在水硬性硅酸盐水泥的情况下，对X射线不透光性15使其成为我们应用的理想候选材料。选择区域规整聚（3-己基噻吩-2,5-二基）（P3HT）和[6,6]-苯基C71丁酸甲酯（PC70BM）为BHJ体系。纳米级二极管在BHJ体积中的形成，靠近核动力源，导致内部耗尽区，局部电场高达~200 V m−116，已通过P3HT:PCBM系统的傅里叶变换红外吸收光谱进行了实验量化。材料17,18中的介电不均匀性进一步加强了这一点。上述因素，结合P3HT:PC70BM的高结晶度，可在低反向偏压（<10 V）下从整个耗尽活性层中有效地提取电子和空穴。以上因素使X射线探测器具有高灵敏度，在低电压和宽X射线能量范围内与现有的所有固态X射线探测器技术有着强烈的竞争。XrR安检之家