Rivelatori di raggi X a film sottile e loro proprietà. (A) Illustrazione schematica dell'architettura del dispositivo rilevatore di raggi X a film sottile p-i-n basato su RP 2D composta da (BA) 2 (MA) 2Pb3I10 (denominato Pb3) come strato assorbente. (B) Mappa GIWAXS del film sottile RP 2D eseguita sotto raggio di sincrotrone. (C) Coefficiente di assorbimento lineare dei raggi X calcolato (μl) in funzione dell'energia della radiazione incidente per materiali ibridi di perovskite e silicio. (D) Caratteristica J-V per dispositivi di riferimento 2D RP e silicio al buio e sotto l'esposizione ai raggi X (10,91 keV). (E) Densità di carica generata da raggi X in funzione del dosaggio di raggi X per RP 2D (rosso) e diodo al silicio (nero) con polarizzazione zero. (F) Densità di carica indotta da raggi X sottratta dal rumore oscuro (rapporto segnale-rumore) per RP 2D e rivelatore di riferimento al silicio da (E). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aay0815
In un nuovo rapporto su Progressi scientifici , Hsinhan Tsai e un team di ricerca sui materiali, nanotecnologia, L'ingegneria nucleare e la scienza dei raggi X presso il Los Alamos National Laboratory e l'Argonne National Laboratory negli Stati Uniti hanno dimostrato un nuovo prototipo di rivelatore di raggi X a film sottile. Il set conteneva perovskiti bidimensionali (2-D) Ruddlesden-Popper (RP) altamente cristalline e manteneva un'elevata resistività del diodo di 10 12 Ohm.cm, portando a un'elevata sensibilità di rilevamento dei raggi X fino a 0,276 C Gy aria −1 cm -3 . Promettere immagini mediche rivoluzionarie con rischi per la salute minimi. Il team ha raccolto i segnali utilizzando il potenziale integrato ei risultati sono alla base del funzionamento dei robusti dispositivi a fotocorrente primari esistenti. I rilevatori hanno generato sostanziali tensioni a circuito aperto indotte da fotoni di raggi X come meccanismo di rilevamento alternativo. Il lavoro suggerisce una nuova generazione di rivelatori di raggi X basati su dispositivi a basso costo, film sottili di perovskite a strati per le future tecnologie di imaging a raggi X.
I rivelatori di radiazioni allo stato solido possono convertire direttamente i segnali a raggi X (fotoni di radiazione) in corrente elettrica o cariche, con una sensibilità superiore e un alto tasso di conteggio. I dispositivi possono superare le altre tecniche di rilevamento in uso per soddisfare esigenze critiche nelle applicazioni mediche e di sicurezza e nelle strutture Advanced Photon Source. Per determinare la rilevabilità o la sensibilità del dispositivo e risolvere il rumore scuro in un rilevatore di raggi X ad alte prestazioni, gli scienziati devono ridurre al minimo l'ampiezza della corrente oscura a polarizzazione inversa e risolvere la corrente generata a un basso dosaggio di raggi X.
Il processo richiede semiconduttori di elevata purezza e giunzioni completamente esaurite nelle regioni attive, mentre anche i materiali semiconduttori utilizzati per il rilevamento devono essere robusti. I ricercatori attualmente utilizzano cristalli singoli semiconduttori di elevata purezza che operano ad alta tensione nelle regioni attive per soddisfare questi requisiti. Tali rivelatori, però, necessitano di un'elevata tensione operativa su un grande spessore (~ 1 cm), che causano sfide tecniche come la deriva della carica o costi di fabbricazione elevati per mantenere grandi volumi di monocristalli in applicazioni di imaging scalabili.
Assorbimento dei raggi X in funzione dello spessore dello strato per 10,96 keV Raggi X che confrontano film di perovskite (Pb3) (rosso) e dispositivo di silicio (nero). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aay0815
In questo lavoro, Tsai et al. ha progettato un nuovo tipo di dispositivo a film sottile realizzato in configurazione di giunzione p-i-n (tre regioni drogate diversamente racchiuse tra la regione drogata p e n) utilizzando perovskite 2-D per rilevare in modo efficiente i fotoni a raggi X. Utilizzando misurazioni di diffusione dei raggi X ad ampio angolo di incidenza del sincrotrone radente (GIWAXS), il team ha confermato una cristallinità superiore e l'orientamento preferito nel film sottile 2-D. Per testare la fattibilità della perovskite come rivelatore di radiazioni, hanno calcolato il coefficiente di assorbimento lineare dei raggi X (µ 1 ) in funzione dell'energia incidente per tre diversi materiali, dove i valori per i materiali perovskite erano da 10 a 40 volte superiori a quelli del silicio. Il team ha esplorato il forte assorbimento di raggi X osservato sui materiali di perovskite, per ottenere il trasporto e la raccolta di carica attraverso due elettrodi. La densità di corrente al buio per il dispositivo 2-D RP (Ruddlesden-Popper) indicava un'elevata resistività al buio di 10 12 Ohm.cm come risultato della giunzione dei pin e degli efficienti strati di blocco della corrente oscura nella sua costituzione. Quando hanno esposto i dispositivi a una sorgente di raggi X, il team ha osservato un enorme aumento della densità di corrente indotta dai raggi X (J X ) a polarizzazione zero (cortocircuito). Allo stesso modo, le caratteristiche del dispositivo 2-D hanno anche contribuito a una maggiore tensione a circuito aperto di 650 mV sotto l'esposizione ai raggi X in cortocircuito, rispetto a un diodo al silicio (~250 mV).
Caratteristiche del dispositivo. (A) Caratteristiche JV dipendenti dalla potenza per la risposta del rivelatore di raggi X a film sottile 2D RP con Pb3 come strato assorbente (spessore di 470 nm) sotto vari flussi di fotoni. (B) On-current a vari bias inversi in funzione del flusso di fotoni in unità di conteggi al secondo (Ct s-1) per il dispositivo RP 2D. (C) Curva capacità-tensione per il dispositivo a film sottile 2D RP (470 nm). La capacità è normalizzata dalla sua capacità a 0 polarizzazione. Tensione a circuito aperto (VOC) in funzione del flusso del fascio di raggi X normalizzato in scala logaritmica per diversi valori di energia di (D) 10,91 keV e (E) 8,05 keV per dispositivi di riferimento 2D RP (470 nm) e silicio. (F) Spettri di emissione fotografica del dispositivo a film sottile Pb3 eccitato da raggi X duri (rosso) rispetto agli spettri di fotoluminescenza del film sottile Pb3 (verde) e del cristallo singolo Pb3 (blu) eccitato dal laser (405 nm) ). a.u., unità arbitrarie. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aay0815
Per comprendere le prestazioni del rivelatore superiore, Tsai et al. ha esaminato in profondità le caratteristiche J-V (densità di corrente) dipendenti dalla potenza e dal campo del dispositivo. Quando hanno tracciato le curve J-V sotto vari flussi di fotoni a raggi X, i segnali del dispositivo diminuivano con la diminuzione del flusso di fotoni. Ulteriori osservazioni hanno suggerito un'efficienza di raccolta della carica quasi ideale sotto l'esposizione ai raggi X grazie al design della giunzione dei pin a film sottile. I risultati hanno mostrato l'efficienza del rivelatore a film sottile anche a basse dosi di esposizione. L'elevata tensione a circuito aperto (V OC =650 mV) generato nel dispositivo a causa dell'elevata densità di portanti ha inoltre indicato il suo utilizzo come parametro di rilevamento alternativo, quando V OC scalati linearmente con il flusso di fotoni durante gli esperimenti.
Il team ha successivamente misurato gli spettri di luminescenza dei raggi X del film sottile di perovskite sondando il suo segnale di emissione visibile sotto l'eccitazione dei raggi X. Il percorso di ricombinazione della carica ionizzata ha aiutato a ottenere informazioni più approfondite sul meccanismo operativo del rivelatore. Sulla base delle osservazioni, Tsai et al. notato che quando i raggi X ad alta energia eccitavano il materiale, le cariche sono valanghe e ionizzate a un'energia molto più alta. Le cariche poi trasportate attraverso stati di alta e bassa energia per la loro eventuale raccolta, producendo un segnale elettrico. I processi hanno consentito un segnale di corrente elettrica indotto da raggi X elevato e un V . elevato OC generazione senza perdita termica per dimostrare le eccezionali prestazioni nel rilevamento dei raggi X nello studio.
Risposte temporali e stabilità dei dispositivi. (A) Risposta fotocorrente transitoria del dispositivo con varie resistenze applicate. (B) Conducibilità fotografica risolta nel tempo di un dispositivo a film sottile sotto eccitazione laser pulsata (375 nm). (C) Tempo di caduta del segnale del dispositivo estratto da (B) sotto vari bias. (D) Test di stabilità del rivelatore a film sottile che opera sotto esposizione continua a raggi X duri (10,91 keV) in condizioni di cortocircuito. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aay0815
Un altro vantaggio dell'architettura del dispositivo 2-D a film sottile includeva un ampio campo integrato, che ha facilitato la rapida estrazione dei portatori di raggi X. Il team ha stabilizzato le prestazioni del dispositivo per 30 cicli di scansioni di tensione ed esposizioni ai raggi X e ha mostrato la stabilità del film sottile sia sotto polarizzazione che esposizione ai raggi X. In questo modo, Hsinhan Tsai e colleghi hanno sviluppato un film sottile di perovskite a strati di alta qualità per progettare un candidato promettente per rilevare le radiazioni. Il design del dispositivo a film sottile ha consentito un'elevata sensibilità con un limite di rilevamento migliorato. Il dispositivo funzionava con una bassa polarizzazione esterna per il rilevamento stabile sia di raggi X che di ioni a bassa energia, con potenziali applicazioni ampiamente in medicina e scienze spaziali.
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