基于CMOS芯片的高分辨、低劑量鈣鈦礦直接轉(zhuǎn)化X射線探測器研制成功

X射線探測與成像在生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)檢測和安防安檢等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。當(dāng)前商用的閃爍體（例如碘化銫）間接轉(zhuǎn)化X射線探測器存在二次光電轉(zhuǎn)化效率低、空間分辨率受限等技術(shù)瓶頸，無法滿足高端醫(yī)學(xué)影像和精密工業(yè)檢測等需求。相比之下，基于半導(dǎo)體材料的直接轉(zhuǎn)化X射線探測器只需要一次光電轉(zhuǎn)換，就可直接將X射線轉(zhuǎn)換成電信號，具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率和空間分辨本領(lǐng)，是下一代高端X射線探測器發(fā)展的前沿。

近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院與華中師范大學(xué)合作，在權(quán)威刊物Nature Communications在線發(fā)表研究論文“Dynamic X-ray imaging with screen-printed perovskite CMOS array”。

團隊經(jīng)過兩年多的聯(lián)合攻關(guān)，先后解決了鈣鈦礦半導(dǎo)體晶體生長動力學(xué)、專用低暗電流CMOS像素芯片、數(shù)據(jù)讀出與圖像后處理等一系列關(guān)鍵挑戰(zhàn)，最終在國際上首次成功研制了基于CMOS像素芯片的高分辨、低劑量鈣鈦礦直接轉(zhuǎn)化X射線探測器。

中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院喻學(xué)鋒研究員和鄭海榮研究員、華中師范大學(xué)孫向明教授、中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院葛永帥研究員為本文共同通訊作者，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院劉延亮副研究員和華中師范大學(xué)高超嵩副教授為本文共同第一作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-45871-2

近年來，鈣鈦礦半導(dǎo)體憑借優(yōu)異的光電特性在直接轉(zhuǎn)化X射線探測領(lǐng)域備受關(guān)注。本研究工作創(chuàng)新性地開發(fā)了液相法絲網(wǎng)印刷工藝，通過對鈣鈦礦晶體生長結(jié)晶過程中的動力學(xué)調(diào)控，在CMOS芯片上直接原位生長鈣鈦礦半導(dǎo)體光敏層，獲得了厚度可控、致密均勻且光電特性優(yōu)異的鈣鈦礦光敏層，材料的遷移率和壽命乘積高達5.2×10-4cm2V–1，X射線探測靈敏度高達1.6×104μC Gyair–1cm–2。CMOS芯片以300幀/秒的頻率分別沿垂直和水平方向連續(xù)掃描樣品，實現(xiàn)對小鼠和雞腿組織等樣品的大面積投影成像（尺寸≥5cm×10cm）與斷層成像。相比傳統(tǒng)的間接轉(zhuǎn)化CMOS探測器，實驗結(jié)果表明，該新型鈣鈦礦直接轉(zhuǎn)化CMOS探測器有望降低50%以上的輻射劑量，同時保持優(yōu)異的空間分辨率（5.0 lp mm–1）。

本工作具有顯著的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究相互交叉融合的特色，為打破國外長期技術(shù)封鎖與壟斷、研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的下一代高性能X射線探測器提供技術(shù)保障。

鈣鈦礦直接轉(zhuǎn)化CMOS探測器及高分辨、低劑量生物醫(yī)學(xué)成像結(jié)果。

該研究工作獲得了深圳市基礎(chǔ)研究重點項目、國家自然科學(xué)基金重點項目、中國科學(xué)院醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)(全國)重點實驗室和國家高性能醫(yī)療器械創(chuàng)新中心等機構(gòu)的資助。

審核編輯：劉清