新型半导体探测器可用于医疗诊断和国土安全

美国西北大学的研究人员发现，利用铯溴化铅（CsPbBr₃）钙钛矿纳米晶体，实现了能够探测γ射线能量的探测器。 该研究改善了晶体尺寸并采用像素化探测器设计而不是平面电极，将光谱分辨率从3.8％提高到了1.4％，远远超过了传统设计，甚至可以检测非常弱的能量，可以高分辨率识别放射性同位素。相关论文发表在《Nature Photonics》上。

近年来，钙钛矿材料在光电领域迅速崛起，这导致了对整个类别的广泛研究，并已经影响到其他领域，如发光二极管，激光和辐射探测。由于采用了非常严格的标准和严格的质量限制，对任何半导体来说，γ射线的检测都是最苛刻的任务。西北大学研究人员在2013年建议将CsPbBr₃用作X射线和γ射线的潜在检测材料，但由于其纯度和质量较低，因此无法证明对γ射线的响应。发展至今，只有全无机CsPbBr3探测器在铯（Cs） 662 -keV 的 γ射线下达到了3.8%的能量分辨率，并且具有优异的化学稳定性。

图注：钙钛矿晶体探测器。来源：西北大学

现在，西北大学的研究人员已经开发出了一种基于低成本材料的新设备，可帮助检测和识别放射性同位素。研究团队使用钙钛矿晶体形式的CsPbBr₃，通过成功生长大体积晶体和部署单极性传感技术，实现了CsPbBr₃探测器的能量分辨率的显著提高。该项研究改善了晶体尺寸并利用了像素而不是平面电极，研究发现，全无机钙钛矿CsPbBr₃器件能以1.4％的能量分辨率分辨Cs 662-keV 的 γ 射线，以及晶体体积分别为6.65 mm³和297 mm³的双极性传感和单极性纯空穴传感模式，能量在数十keV到超过1 MeV的其他X射线和γ射线。研究人员报道了CsPbBr3晶锭的放大比例，直径最大可达1.5英寸，具有出色的空穴迁移率和空穴寿命的乘积，8 × 10⁻³ cm² V⁻¹ 以及长达296μs的空穴寿命。CsPbBr3检测器显示稳定运行的温度范围从2°C-70°C，通过使用合适的封装材料，探测器在超过18个月内表现出一致的响应。研究小组将新型溴化铯铅探测器与传统的碲化镉锌（CZT）探测器的性能进行了比较，发现该探测器在探测γ射线方面同样出色。

钙钛矿CsPbBr₃半导体确定为新一代高能γ射线检测的最佳候选者。领导该研究的西北教授Mercouri Kanatzidis表示，除了比典型设备便宜之外，这种检测γ射线的新方法还具有很强的区分不同能量射线的能力。这种方法允许用户识别合法的γ射线与非法γ射线。这类检测器对于国家安全至关重要，在这种检测器中，它们被用来检测跨境走私的非法核材料，帮助进行核取证，以及医学诊断成像。

阿贡国家实验室以及西北大学教授Kanatzidis说：“使用钙钛矿材料，我们已经实现了使用像素化探测器设计的伽马射线能量探测的高分辨率。这使我们朝着创建用于医疗诊断和成像，机场安全等的电子系统迈出了一步。”

放射性同位素发射的伽马射线能量略有不同，通常仅相差几个百分点。使用新材料，用户可以通过将差异精确到几个百分点来更好地识别伽玛射线的来源。此外，即使使用稍微不纯的材料通常也会使检测器的效率降低或无法正常工作，并且设备的生产商必须寻求超纯CZT才能产生有效的读数。令研究人员惊讶的是，他们自己的材料所含杂质可能比CZT多5至10倍，并且仍能发挥作用，从而使其生产起来更容易且更便宜。

Kanatzidis说，在这个领域有很多兴趣，特别是考虑到设备故障的成本和安全隐患。他说，但是这个领域的进展缓慢，主要是因为研究小组要么专注于材料合成，要么专注于X射线和伽马射线探测器。

该论文的第一作者Yihui He是Kanatzidis实验室的研究助理教授。他说：“我们向密歇根大学的合作者报告的新设备制造协议将使在不久的将来大规模生产CsPbBr₃检测器。” Kanatzidis及其同事成立了一家新公司名为Actinia，将该新型探测器商业化，用于伽马射线和X射线的检测和识别，将在医疗诊断、国土安全和核安全方面产生广泛的影响。