Dans un nouveau rapport sur Avancées scientifiques , Hsinhan Tsai et une équipe de recherche en matériaux, nanotechnologie, Le génie nucléaire et la science des rayons X au Laboratoire national de Los Alamos et au Laboratoire national d'Argonne aux États-Unis ont fait la démonstration d'un nouveau prototype de détecteur de rayons X à couche mince. La configuration contenait des pérovskites en couches de phase Ruddlesden-Popper (RP) bidimensionnelles (2D) hautement cristallines et maintenait une résistivité de diode élevée de 10 ¹² Ohm.cm, conduisant à une haute sensibilité de détection des rayons X jusqu'à 0,276 C Gy air ^-1 cm ^-3 . Promettre une imagerie médicale révolutionnaire avec un minimum de risques pour la santé. L'équipe a collecté les signaux en utilisant le potentiel intégré et les résultats sous-tendent le fonctionnement des dispositifs photocourants primaires robustes existants. Les détecteurs ont généré d'importantes tensions en circuit ouvert induites par des photons de rayons X en tant que mécanisme de détection alternatif. Les travaux suggèrent une nouvelle génération de détecteurs de rayons X basés sur des couches minces de pérovskite pour les futures technologies d'imagerie par rayons X.

Les détecteurs de rayonnement à l'état solide peuvent convertir directement les signaux de rayons X (photons de rayonnement) en courant électrique ou en charges, avec une sensibilité supérieure et un taux de comptage élevé. Les appareils peuvent surpasser les autres techniques de détection utilisées pour répondre aux besoins critiques des applications médicales et de sécurité et dans les installations de sources de photons avancées. Afin de déterminer la détectivité ou la sensibilité de l'appareil et de résoudre au-dessus du bruit noir dans un détecteur de rayons X haute performance, les scientifiques doivent minimiser l'amplitude du courant d'obscurité en polarisation inverse et résoudre le courant généré à faible dose de rayons X.

Le processus nécessite des semi-conducteurs de haute pureté et des jonctions entièrement appauvries dans les régions actives, tandis que les matériaux semi-conducteurs utilisés pour la détection doivent également être robustes. Les chercheurs utilisent actuellement des monocristaux semi-conducteurs de haute pureté fonctionnant sous des tensions élevées dans les régions actives pour répondre à ces exigences. De tels détecteurs, cependant, besoin d'une tension de fonctionnement élevée sur une grande épaisseur (~ 1 cm), qui posent des défis techniques tels que la dérive de charge ou des coûts de fabrication élevés pour maintenir de grands volumes de monocristaux dans des applications d'imagerie évolutives.

Dans ce travail, Tsai et al. a conçu un nouveau type de dispositif à couche mince fabriqué dans une configuration de jonction p-i-n (trois régions dopées différemment entre les régions dopées p et n) en utilisant de la pérovskite 2D pour détecter efficacement les photons de rayons X. En utilisant des mesures de diffusion des rayons X grand angle à incidence rasante synchrotron (GIWAXS), l'équipe a confirmé une cristallinité supérieure et l'orientation préférée dans le film mince 2-D. Pour tester la faisabilité de la pérovskite comme détecteur de rayonnement, ils ont calculé le coefficient d'absorption linéaire des rayons X (µ 1 ) en fonction de l'énergie incidente pour trois matériaux différents, où les valeurs des matériaux pérovskites étaient 10 à 40 fois supérieures à celles du silicium. L'équipe a exploré la forte absorption des rayons X observée sur les matériaux pérovskites, pour réaliser le transport et la collecte des charges à travers deux électrodes. La densité de courant d'obscurité pour le dispositif 2-D RP (Ruddlesden-Popper) a indiqué une résistivité d'obscurité élevée de 10 ¹² Ohm.cm en raison de la jonction pin et des couches efficaces de blocage du courant d'obscurité dans sa constitution. Lorsqu'ils ont exposé les appareils à une source de rayons X, l'équipe a observé une augmentation géante de la densité de courant induite par les rayons X (J X ) à zéro polarisation (court-circuit). De la même manière, les caractéristiques de l'appareil 2-D ont également contribué à une tension en circuit ouvert plus importante de 650 mV sous exposition aux rayons X en court-circuit, par rapport à une diode au silicium (~250 mV).

Pour comprendre les performances du détecteur supérieur, Tsai et al. a examiné en profondeur les caractéristiques J-V (densité de courant) dépendant de la puissance et du champ de l'appareil. Lorsqu'ils ont tracé les courbes J-V sous divers flux de photons de rayons X, les signaux de l'appareil diminuaient avec la diminution du flux de photons. D'autres observations ont suggéré une efficacité de collecte de charge presque idéale sous exposition aux rayons X en raison de la conception de la jonction pin à couche mince. Les résultats ont montré l'efficacité du détecteur à couche mince même à faible dose d'exposition. La haute tension à vide (V CO =650 mV) généré dans le dispositif en raison de la densité élevée de porteurs a en outre indiqué son utilisation comme paramètre de détection alternatif, quand V CO mis à l'échelle linéairement avec le flux de photons au cours des expériences.

L'équipe a ensuite mesuré les spectres de luminescence des rayons X du film mince de pérovskite en sondant son signal d'émission visible sous excitation de rayons X. La voie de recombinaison de charges ionisées a permis de mieux comprendre le mécanisme de fonctionnement du détecteur. Sur la base des observations, Tsai et al. a noté que lorsque les rayons X à haute énergie ont excité le matériau, les charges avalanchent et ionisent à une énergie beaucoup plus élevée. Les charges transportées ensuite à travers des états de haute et basse énergie pour leur éventuelle collecte, produisant un signal électrique. Les processus ont permis un signal de courant électrique induit par les rayons X élevé et un V élevé CO génération sans perte thermique pour démontrer les performances exceptionnelles de détection des rayons X dans l'étude.

Un autre avantage de l'architecture de dispositif 2-D à couche mince comprenait un grand champ intégré, ce qui a facilité l'extraction rapide des porteurs de rayons X. L'équipe a stabilisé les performances de l'appareil pendant 30 cycles d'analyses de tension et d'expositions aux rayons X et a montré la stabilité du film mince à la fois sous polarisation et exposition aux rayons X. De cette façon, Hsinhan Tsai et ses collègues ont développé un film mince de pérovskite en couches de haute qualité pour concevoir un candidat prometteur pour détecter les rayonnements. La conception du dispositif à couche mince a permis une sensibilité élevée avec une limite de détection améliorée. L'appareil fonctionnait avec une faible polarisation externe pour une détection stable des rayons X et des ions de faible énergie, avec des applications potentielles largement en médecine et en sciences spatiales.

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