本文介绍了一项关于高性能X射线探测器的研究，该研究由Yanliang Liu、Chaosong Gao、Dong Li等多名研究人员共同完成，研究团队来自中国科学院深圳先进技术研究院、华中师范大学、深圳先进技术研究院医学人工智能研究中心等多个机构。该研究于2024年发表在《Nature Communications》期刊上，题为“Dynamic X-ray imaging with screen-printed perovskite CMOS array”。
X射线自1895年发现以来，已广泛应用于医学成像领域，特别是在心血管、肺部和癌症等疾病的诊断与治疗中。为了提供高质量的图像，X射线探测器需要具备高空间分辨率、快速成像速度和低剂量成像能力。传统的间接转换X射线探测器（基于闪烁体材料）虽然广泛使用，但其性能在某些方面仍存在不足。相比之下，基于半导体材料的直接转换X射线探测器具有更高的成像性能，但现有的商用直接转换探测器在材料选择、制造成本和大面积制造方面存在挑战。
近年来，铅卤化物钙钛矿材料因其高X射线吸收率、高载流子迁移率和长载流子寿命，在超高灵敏度X射线探测领域展现出巨大潜力。然而，将钙钛矿薄膜与像素化阵列集成并降低暗电流仍然是技术难题。本研究旨在开发一种基于无机钙钛矿材料（CsPbBr3）的直接转换X射线CMOS（互补金属氧化物半导体）探测器，以实现高空间分辨率、快速成像速度和低剂量成像性能。
本研究的主要流程包括材料制备、探测器组装、X射线响应测试以及二维和三维成像实验。
材料与薄膜制备
研究团队通过丝网印刷技术制备了无机CsPbBr3厚膜（>300微米）。首先，将CsBr和PbBr2以等摩尔比例混合在二甲基甲酰胺（DMF）/二甲基亚砜（DMSO）溶剂中，通过行星式球磨机制备出CsPbBr3前驱体浆料。浆料的粘度随DMSO比例的增加而增加，当粘度高于1500 mPa·s时，可以进行丝网印刷。随后，前驱体浆料被加热以蒸发溶剂，形成CsPbBr3厚膜。通过热压工艺（150°C，0.5 MPa）进一步优化薄膜的结晶度和光电性能。
探测器组装
研究团队开发了一种基于CMOS阵列的直接转换X射线探测器，其像素尺寸为83.2微米。每个像素中设计了电荷敏感放大器（CSA）以减少暗电流。探测器在80 V/mm的电场下工作，能够将X射线激发的电子快速收集到信号电极上。
X射线响应测试
研究团队对CsPbBr3探测器的X射线响应进行了详细测试。结果显示，该探测器在40至120 V/mm的电场范围内表现出优异的线性光电流响应，灵敏度高达46961 µC Gyair⁻¹ cm⁻²。探测器的信噪比（SNR）和检测下限（LOD）也得到了优化，最低检测限为321 nGyair s⁻¹。
二维和三维成像实验
研究团队使用该探测器进行了二维和三维X射线成像实验。在二维成像中，探测器以每秒300帧的速度扫描，成功获得了高分辨率的生物样本图像。在三维成像中，通过旋转样本并采集180个投影图像，使用Feldkamp-Davis-Kress（FDK）算法重建了生物样本的三维CT图像。
材料性能
CsPbBr3厚膜的载流子迁移率高达22.5 cm² V⁻¹ s⁻¹，迁移率-寿命乘积（μτ）为5.2 × 10⁻⁴ cm² V⁻¹，表现出优异的电荷传输性能。
X射线响应
探测器在80 V/mm电场下的灵敏度为15891 µC Gyair⁻¹ cm⁻²，检测下限为321 nGyair s⁻¹，表现出优异的低剂量成像能力。
成像性能
探测器在二维成像中实现了5.0 lp/mm的空间分辨率，并在三维CT成像中成功重建了生物样本的精细结构。与商用间接转换CMOS探测器相比，该探测器在低剂量条件下表现出更高的空间分辨率和信噪比。
本研究成功开发了一种基于无机钙钛矿材料（CsPbBr3）的高性能直接转换X射线CMOS探测器。该探测器具有高空间分辨率、快速成像速度和低剂量成像能力，适用于生物医学成像、无损检测和安全扫描等领域。研究结果表明，钙钛矿材料在下一代X射线探测器开发中具有巨大潜力，能够显著提升医学成像的分辨率和安全性。
高性能钙钛矿探测器
该探测器在低剂量条件下实现了高空间分辨率（5.0 lp/mm）和快速成像（300帧/秒），显著优于传统间接转换探测器。
创新的材料制备工艺
通过丝网印刷和热压工艺，成功制备了大面积、高质量的CsPbBr3厚膜，解决了钙钛矿材料与CMOS阵列集成的技术难题。
广泛的应用前景
该探测器在医学成像（如牙科和乳腺成像）以及工业无损检测中具有广泛的应用前景，能够显著降低辐射剂量并提高成像质量。
研究团队还详细探讨了探测器的长期稳定性和辐照稳定性，结果表明CsPbBr3厚膜在长时间辐照后仍保持良好的结晶度和光电性能。此外，研究团队开发了专门的数据采集和图像处理系统，进一步提升了探测器的成像性能。
本研究为开发下一代高性能X射线探测器提供了重要的技术路线和实验依据，具有重要的科学和应用价值。