X射线探测有可能成为钙钛矿的杀手级应用

钙钛矿——这种晶体材料可以制作超高效的光电池。研究人员还在晶体管和LED照明中挖掘钙钛矿的潜力。此外，这种奇妙的晶体还有另外一个最有发展潜力的用途，那就是X射线探测器。

目前全球有几十个团队在探索该领域，包括三星和西门子在内的主要X射线成像生产商都在考虑在自己下一代的产品中使用钙钛矿。与目前的X射线成像仪相比，基于钙钛矿化合物的探测器的灵敏度高，且能耗低。在某些特定的应用中，还可以对材料进行调整，使其在被辐射时发出彩色光。

钙钛矿擅长将光转化为电荷。这非常适合用于太阳能电池，同样也可用于X射线探测。在直接探测器中，X射线光子会在半导体中被转化为电子。在荧光成像仪中，X射线光子首先会被转化为可见光，然后再被转化为电子。与这种传统版的数字X线机相比，使用钙钛矿的实验室样机的效率至少是前者的100倍。

在一次实验中，新加坡国立大学的刘小钢团队开始采用含有大量铊碘化铯荧光材料的商用扁平面板X射线探测器。在试验中，该团队去除了CsI(TI)涂层，替换为铯铅溴纳米晶体层（一种无机钙钛矿），直接将其涂在了光电二极管阵列上。据该团队在去年9月《自然》杂志上的报告，结合使用光电倍增管，最终设备的探测极限达到了医用X光机剂量的1/400。刘小钢说，目前有几家X射线制造商正在使用其团队的方法测试纳米晶闪烁体。

Photo: National University of SingaporeBetter Detectors:Xiaogang Liu [right] and Qiushui Chen at the National University of Singapore developed perovskite nanocrystals that absorb X-rays better than conventional materials do.

刘小钢称赞了研究生陈秋水这种使用钙钛矿纳米晶体的思路。他说：“我们最近的很多工作都涉及了稀土材料，这是常见闪烁体使用的材料。”为了形成钙钛矿涂层，研究人员将纳米晶体与环乙烷液混合，然后将混合物旋涂到柔性基板上。

“我们比较幸运，因为我们发现，必须经过固态处理方法将纳米晶体放置在基板上。”刘小钢说，“如果微粒在溶液中分散了，那就不好了。”

研究人员还展示了钙钛矿在直接X射线探测器中远远优于商业成像仪的性能。北卡罗来纳大学教堂山分校的黄劲松及其团队从2014年开始就一直在研究基于钙钛矿的直接X射线探测器。（黄劲松也参与了钙钛矿光电工作。）他们在一项实验中将一种普通的钙钛矿化合物溴化甲胺铅涂抹到了常规X射线探测器上，这种探测器使用非晶硅将X射线转化为电子。增加的钙钛矿涂层让探测器的灵敏度提高了3000倍。

“要让探测器具备非常高的效率和灵敏度，你需要计算光子数量，这并不容易。”黄劲松解释说，“我们的实验表明，我们可以制作能够将信号与噪声区分开来的材料。”最近，黄劲松开办了一家公司，计划将其团队研究的辐射探测器商业化。

在钙钛矿荧光或直接X射线成像仪真正进入市场前，仍然有许多障碍需要克服。有的钙钛矿对湿度很敏感，这就是一个很大的障碍。刘小钢开发了一种方式：给每个纳米晶体涂上二氧化硅。他还在研究其他保护措施。还可以像传统太阳能电池那样，将钙钛矿密封在玻璃中。

总的来说，钙钛矿X射线成像仪应用环境条件比较温和，不需要像钙钛矿PV电池或LED那样坚固。太阳能电池板即使暴露在自然环境中20年后仍然要能工作，LED也要暴露在热和光之中，这两者都会使钙钛矿化合物退化。相比之下，X线机则一般在环境气候受控的条件下使用。因此，刘小钢和黄劲松二人均相信钙钛矿X射线探测器会比其他钙钛矿应用更快地实现商业化。

黄劲松预测，钙钛矿探测器将打开X射线的新应用，扩展这个已经达到数十亿美元规模的行业。效率更高的成像仪耗电量更低，因此可以制成使用电池的便携设备。刘小钢的团队还展示了各种能发出有色光的可调钙钛矿纳米晶体。这一成果能够使X射线显示变成彩色，这一点是当今的荧光X线机做不到的。

由于使用了柔性基板，钙钛矿成像仪能够适应扫描对象，那些曾经在乳腺射线检查中有过不适体验的人将会感激这项功能。更快、更灵敏的成像仪还可以减少牙科医疗X光机、机场安检X光机的辐射量。

“等我们能够让X射线更安全的时候，市场也就会因此而改变，探测器可以放在任何地方。”黄劲松说。