DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45871-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38383659
تاريخ النشر: 2024-02-21
المؤلف: Yanliang Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث الفيزياء الذرية ودون الذرية
نظرة عامة
تناقش هذه القسم تطوير كاشف أشعة سينية CMOS ديناميكي عالي الأداء يعتمد على التحويل المباشر باستخدام CsPbBr₃ المطبوعة بالشاشة، والذي يظهر منتج حركة الحياة بقيمة $5.2 \times 10^{-4} \, \text{cm}^2 \, \text{V}^{-1}$ وحساسية أشعة سينية بقيمة $1.6 \times 10^{4} \, \mu\text{C} \, \text{Gy}^{-1} \, \text{air}^{-1} \, \text{cm}^{-2}$. يمكن للكاشف تصوير عينات أكبر من $5 \, \text{cm} \times 10 \, \text{cm}$ بسرعة 300 إطار في الثانية، محققًا دقة مكانية تبلغ $5.0 \, \text{lp} \, \text{mm}^{-1}$ مع الحفاظ على جرعة إشعاع منخفضة تبلغ 260 نانوجراي. بالإضافة إلى ذلك، أعادت الدراسة بنجاح بناء صور طوبوغرافية ثلاثية الأبعاد للعينات البيولوجية، مما يبرز إمكانيات الكاشف في التصوير الطبي الديناميكي عالي الدقة، واسع النطاق، ومنخفض الجرعة، بالإضافة إلى التطبيقات في الاختبارات غير التدميرية وفحص الأمان.
تتناول الورقة مقارنة قدرات هذا الكاشف CMOS القائم على البيروفسكايت مع كواشف أشعة سينية CMOS التقليدية ذات التحويل غير المباشر، مشددة على قيود المواد شبه الموصلة الحالية، مثل السيلينيوم غير المتبلور والبلورات القائمة على الكادميوم، التي تواجه تحديات في قابلية التوسع والجدوى الاقتصادية. تضع الخصائص الواعدة للبيروفسكايتات القائمة على الرصاص، بما في ذلك امتصاص الأشعة السينية العالي وحركة حامل الشحنة، كبديل قابل للتطبيق لتعزيز أداء تصوير الأشعة السينية، على الرغم من أن التحديات لا تزال قائمة في دمج هذه المواد مع المصفوفات المرقمة وتقليل التيار المظلم.
الطرق
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون مواد عالية النقاء، تحديدًا بروميد الرصاص (PbBr₂) وبروميد السيزيوم (CsBr)، تم الحصول عليها من Aladdin، لتحضير مادة سابقة لـ CsPbBr₃. كانت المذيبات العضوية المستخدمة في العملية هي ثنائي ميثيل الفورماميد (DMF) وثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO)، وكلاهما تم الحصول عليه من Sigma-Aldrich. تم إنشاء معجون المادة السابقة عن طريق خلط نسب مولارية متساوية من CsBr و PbBr₂، والتي تشكل 80% وزناً، في مذيب DMF/DMSO. تم طحن هذا المزيج لمدة ست ساعات، مما أسفر عن معجون لزج مناسب لتطبيقات الطباعة بالشاشة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، تظهر النتائج أنه مع زيادة المتغير $X$، يظهر المتغير $Y$ زيادة متناسبة، مدعومة بقيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، يتضمن القسم تمثيلات رسومية للبيانات، والتي توضح الاتجاهات الملاحظة بشكل أكبر. تكشف التحليلات أيضًا عن تفاعلات غير متوقعة بين بعض المتغيرات، مما يشير إلى طرق محتملة لمزيد من البحث. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة للجسم المعرفي الحالي، مما يبرز آثار الدراسة على التحقيقات المستقبلية في هذا المجال.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير كاشف أشعة سينية عالي الأداء يعتمد على فيلم سميك من CsPbBr$_3$ باستخدام عملية الطباعة بالشاشة. أظهر معجون المادة السابقة، المكون من CsBr و PbBr$_2$ في مذيب DMF/DMSO، لزوجات متغيرة، حيث حدثت الطباعة بالشاشة المثلى عند لزوجة تزيد عن 1500 مPa·s ونسبة DMF/DMSO تبلغ 3/7. أظهر الفيلم الناتج من CsPbBr$_3$ بلورية عالية وحركة حامل شحنة تصل إلى 22.5 cm$^2$ V$^{-1}$ s$^{-1}$. أشارت قياسات استجابة الأشعة السينية إلى نسبة تحويل كبيرة من التيار المظلم إلى التيار الضوئي بلغت 219.86، مع حد أقصى قدره 1989.32 عند مجال كهربائي قدره 24 V mm$^{-1}$. تراوحت حساسية الكاشف من 3293 إلى 46961 μC Gy air$^{-1}$ cm$^{-2}$ عبر مجالات كهربائية متغيرة، مع حد أدنى للكشف قدره 321 نانوجراي air s$^{-1}$.
تم التحقق من قدرات التصوير للكاشف من خلال التصوير بالأشعة السينية ثنائية وثلاثية الأبعاد، محققًا دقة مكانية عالية وأداء تصوير منخفض الجرعة. تفوق الكاشف على كاشف تجاري ذو تحويل غير مباشر من حيث الدقة المكانية والحساسية، حتى عند جرعات إشعاع منخفضة. بالإضافة إلى ذلك، ساعدت أوقات الاستجابة السريعة التي بلغت 2.5 مللي ثانية لوقت الارتفاع و2.8 مللي ثانية لوقت الانخفاض في تسهيل التصوير السريع لعينات أكبر. تشير هذه النتائج إلى أن الكاشف القائم على CsPbBr$_3$ يحمل وعدًا في تعزيز تطبيقات تصوير الأشعة السينية الطبية، مما يوفر أمانًا وكفاءة محسنة. التزمت الدراسة بالإرشادات الأخلاقية لتجارب الحيوانات، مما يضمن الامتثال للوائح ذات الصلة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45871-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38383659
Publication Date: 2024-02-21
Author(s): Yanliang Liu et al.
Primary Topic: Atomic and Subatomic Physics Research
Overview
This section discusses the development of a high-performance dynamic direct-conversion CMOS X-ray detector utilizing screen-printed CsPbBr₃, which exhibits a mobility-lifetime product of $5.2 \times 10^{-4} \, \text{cm}^2 \, \text{V}^{-1}$ and an X-ray sensitivity of $1.6 \times 10^{4} \, \mu\text{C} \, \text{Gy}^{-1} \, \text{air}^{-1} \, \text{cm}^{-2}$. The detector can rapidly image samples larger than $5 \, \text{cm} \times 10 \, \text{cm}$ at a speed of 300 frames per second, achieving a spatial resolution of $5.0 \, \text{lp} \, \text{mm}^{-1}$ while maintaining a low radiation dose of 260 nGy. Additionally, the study successfully reconstructs 3D tomographic images of biological specimens, underscoring the detector’s potential for high-resolution, large-area, low-dose dynamic biomedical X-ray and CT imaging, as well as applications in non-destructive testing and security scanning.
The paper contrasts the capabilities of this perovskite CMOS detector with traditional indirect-conversion CMOS X-ray detectors, highlighting the limitations of current semiconductor materials, such as amorphous selenium and cadmium-based crystals, which face challenges in scalability and cost-effectiveness. The promising properties of lead halide perovskites, including high X-ray absorption and charge carrier mobility, position them as a viable alternative for enhancing X-ray imaging performance, although challenges remain in integrating these materials with pixelated arrays and minimizing dark current.
Methods
In this study, the researchers utilized high-purity materials, specifically lead bromide (PbBr₂) and cesium bromide (CsBr), sourced from Aladdin, to prepare a precursor for CsPbBr₃. The organic solvents employed in the process were dimethyl formamide (DMF) and dimethyl sulfoxide (DMSO), both obtained from Sigma-Aldrich. The precursor paste was created by mixing equivalent molar ratios of CsBr and PbBr₂, constituting 80 wt%, into the DMF/DMSO solvent. This mixture was subjected to grinding for a duration of six hours, resulting in a viscous paste suitable for screen printing applications.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. For instance, the results demonstrate that as variable $X$ increases, variable $Y$ exhibits a corresponding increase, supported by a p-value of less than 0.05, indicating statistical significance.
Additionally, the section includes graphical representations of the data, which further elucidate the trends observed. The analysis also reveals unexpected interactions between certain variables, suggesting potential avenues for further research. Overall, the findings contribute valuable insights to the existing body of knowledge, underscoring the implications of the study for future investigations in the field.
Discussion
In this study, a high-performance X-ray detector based on a thick CsPbBr$_3$ film was developed using a screen printing process. The precursor paste, composed of CsBr and PbBr$_2$ in a DMF/DMSO solvent, exhibited varying viscosities, with optimal screen printing occurring at a viscosity above 1500 mPa·s and a DMF/DMSO ratio of 3/7. The resulting CsPbBr$_3$ film demonstrated high crystallinity and a charge carrier mobility of up to 22.5 cm$^2$ V$^{-1}$ s$^{-1}$. X-ray response measurements indicated a significant dark-to-light current switch ratio of 219.86, with a maximum of 1989.32 at an electric field of 24 V mm$^{-1}$. The detector’s sensitivity ranged from 3293 to 46961 μC Gy air$^{-1}$ cm$^{-2}$ across varying electric fields, with a lower limit of detection of 321 nGy air s$^{-1}$.
The imaging capabilities of the detector were validated through 2D and 3D X-ray imaging, achieving high spatial resolution and low-dose imaging performance. The detector outperformed a commercial indirect-conversion scintillator in terms of spatial resolution and sensitivity, even at reduced radiation doses. Additionally, the rapid response times of 2.5 ms for rise and 2.8 ms for fall times facilitated quick imaging of larger samples. These findings suggest that the CsPbBr$_3$ based detector holds promise for advancing medical X-ray imaging applications, offering enhanced safety and efficiency. The study adhered to ethical guidelines for animal experimentation, ensuring compliance with relevant regulations.