En robust, følsom tyndfilm røntgen detektor ved hjælp af 2-D lagrede perovskit dioder

I en ny rapport om Videnskabens fremskridt , Hsinhan Tsai og et forskningsteam inden for materialer, nanoteknologi, nuklear teknik og røntgenvidenskab ved Los Alamos National Laboratory og Argonne National Laboratory i USA demonstrerede en ny tyndfilm røntgendetektorprototype. Opsætningen indeholdt meget krystallinske todimensionale (2-D) Ruddlesden-Popper (RP) faselagede perovskitter og opretholdt en høj diode-resistivitet på 10 ¹² Ohm.cm, fører til en høj røntgendetektionsfølsomhed på op til 0,276 C Gy _luft ⁻¹ cm ⁻³ . At love revolutionerende medicinsk billedbehandling med minimale sundhedsrisici. Holdet indsamlede signalerne ved hjælp af det indbyggede potentiale, og resultaterne understøtter driften af ​​eksisterende robuste primære fotostrømsenheder. Detektorerne genererede betydelige røntgenfotoninducerede åbne kredsløbsspændinger som en alternativ detektionsmekanisme. Arbejdet foreslår en ny generation af røntgendetektorer baseret på lavpris, lagdelte perovskit tynde film til fremtidige røntgenbilledteknologier.

Solid state strålingsdetektorer kan direkte konvertere røntgensignaler (strålingsfotoner) til elektrisk strøm eller ladninger, med overlegen følsomhed og høj tællehastighed. Enhederne kan udkonkurrere andre detektionsteknikker i brug for at imødekomme kritiske behov i medicinske og sikkerhedsmæssige applikationer og i Advanced Photon Source faciliteter. For at bestemme enhedens detektivitet eller følsomhed og løse over den mørke støj i en højtydende røntgendetektor, videnskabsmænd skal minimere den mørke strømamplitude ved omvendt bias og løse den strøm, der genereres ved lav røntgendosis.

Processen kræver halvledere med høj renhed og fuldt udtømte junctions på tværs af aktive regioner, mens halvledende materialer, der bruges til påvisning, også skal være robuste. Forskere bruger i øjeblikket højrente halvledende enkeltkrystaller, der opererer under høje spændinger på tværs af aktive regioner for at opfylde disse krav. Sådanne detektorer, imidlertid, har brug for en høj driftsspænding over en stor tykkelse (~ 1 cm), som forårsager tekniske udfordringer såsom ladningsdrift eller høje fremstillingsomkostninger for at opretholde store mængder monokrystaller i skalerbare billedbehandlingsapplikationer.

I dette arbejde, Tsai et al. designet en ny type tyndfilmsenhed lavet i p-i-n-junction-konfiguration (tre forskelligt doterede områder klemt mellem det p- og n-doterede område) ved hjælp af 2-D perovskit til effektivt at detektere røntgenfotoner. Ved at bruge synkrotron-grazing incidence vidvinkel-røntgenspredning (GIWAXS) målinger, holdet bekræftede overlegen krystallinitet og den foretrukne orientering i den 2-D tynde film. For at teste gennemførligheden af ​​perovskit som strålingsdetektor, de beregnede den lineære røntgenabsorptionskoefficient (µ ₁ ) som funktion af indfaldende energi for tre forskellige materialer, hvor værdierne for perovskitmaterialerne var 10 til 40 gange højere end for silicium. Holdet udforskede den stærke røntgenabsorption observeret ved perovskitmaterialer, at opnå ladningstransport og opsamling over to elektroder. Mørkestrømtætheden for 2-D RP (Ruddlesden-Popper) enheden indikerede en høj mørkeresistivitet på 10 ¹² Ohm.cm som følge af stiftforbindelsen og de effektive mørkestrømsblokerende lag i dens konstitution. Da de udsatte enhederne for en røntgenkilde, holdet observerede en kæmpe stigning i røntgen-induceret strømtæthed (J _x ) ved nul bias (kortslutning). Tilsvarende 2-D-enhedens funktioner bidrog også til en større åben kredsløbsspænding på 650 mV under røntgeneksponering ved kortslutning, sammenlignet med en siliciumdiode (~250 mV).

For at forstå ydeevnen af ​​den overlegne detektor, Tsai et al. undersøgte enhedens effekt- og feltafhængige J-V (strømtæthed) egenskaber i dybden. Da de plottede J-V-kurverne under forskellige røntgenfoton-fluxer, enhedssignalerne faldt med aftagende fotonflux. Yderligere observationer foreslog næsten ideel ladningsopsamlingseffektivitet under røntgeneksponering på grund af tyndfilmsstiftforbindelsesdesign. Resultaterne viste effektiviteten af ​​tyndfilmsdetektoren selv ved lav dosis eksponering. Den høje tomgangsspænding (V _OC =650 mV) genereret i enheden på grund af den høje bærertæthed angav yderligere dens anvendelse som en alternativ detektionsparameter, når V _OC skaleret lineært med fotonfluxen under eksperimenter.

Holdet målte efterfølgende røntgenluminescensspektrene for den tynde perovskitfilm ved at sondere dets synlige emissionssignal under røntgenexcitation. Den ioniserede ladningsrekombinationsvej bidrog til at få dybere indsigt i detektorens operationelle mekanisme. På baggrund af observationerne, Tsai et al. bemærkede, at når højenergi røntgen exciterede materialet, ladningerne lavede og ioniserede ved meget højere energi. Afgifterne transporteres derefter gennem tilstande med høj og lav energi til deres eventuelle indsamling, giver et elektrisk signal. Processerne tillod høj røntgen-induceret elektrisk strømsignal og høj V _OC generation uden termisk tab for at demonstrere den fremragende ydeevne inden for røntgendetektion i undersøgelsen.

En anden fordel ved tyndfilm 2-D enhedsarkitekturen omfattede et stort indbygget felt, hvilket letter den hurtige udvinding af røntgenbærere. Holdet stabiliserede enhedens ydeevne i 30 cyklusser af spændingsscanninger og røntgeneksponeringer og viste stabilitet af den tynde film under både bias og røntgeneksponering. På denne måde Hsinhan Tsai og kolleger udviklede en højkvalitets lagdelt perovskit tynd film for at konstruere en lovende kandidat til at detektere stråling. Tyndfilmens design tillod høj følsomhed med en forbedret detektionsgrænse. Enheden fungerede med lav ekstern bias til stabil detektion af både lavenergi røntgenstråler og ioner, med potentielle anvendelser bredt inden for medicin og rumvidenskab.

© 2020 Science X Network