近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)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(xiàn)發(fā)表研究論文“Dynamic X-ray imaging with screen-printed perovskite CMOS array”。 團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)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(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、專(zhuān)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(guó)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(xiàn)探測(cè)器。
 

　　中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)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(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院葛永帥研究員為本文共同通訊作者，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)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。
 

論文線(xiàn)上截圖
 

　　X射線(xiàn)探測(cè)與成像在生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)檢測(cè)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(xiàn)探測(cè)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(wú)法滿(mǎn)足高端醫(yī)學(xué)影像和精密工業(yè)檢測(cè)等需求。相比之下，基于半導(dǎo)體材料的直接轉(zhuǎn)化X射線(xiàn)探測(cè)器只需要一次光電轉(zhuǎn)換，就可直接將X射線(xiàn)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，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(xiàn)探測(cè)器發(fā)展的前沿。
 

　　近年來(lái)，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(xiàn)探測(cè)領(lǐng)域備受關(guān)注。本研究工作創(chuàng)新性地開(kāi)發(fā)了液相法絲網(wǎng)印刷工藝，通過(guò)對(duì)鈣鈦礦晶體生長(zhǎng)結(jié)晶過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)調(diào)控，在CMOS芯片上直接原位生長(zhǎng)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?xún)?yōu)異的鈣鈦礦光敏層，材料的遷移率和壽命乘積高達(dá)5.2×10-4 cm2 V–1，X射線(xiàn)探測(cè)靈敏度高達(dá)1.6×104 μC Gyair–1 cm–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(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該新型鈣鈦礦直接轉(zhuǎn)化CMOS探測(cè)器有望降低50%以上的輻射劑量，同時(shí)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(guó)外長(zhǎng)期技術(shù)封鎖與壟斷、研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的下一代高性能X射線(xiàn)探測(cè)器提供技術(shù)保障。
 

鈣鈦礦直接轉(zhuǎn)化CMOS探測(cè)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(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)(全國(guó))重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家高性能醫(yī)療器械創(chuàng)新中心等機(jī)構(gòu)的資助。