一项开创性研究：高性能钙钛矿半导体探测器实现单光子γ射线成像，为核医学带来新突破
研究团队、发表期刊及时间 本研究由苏州大学放射医学与防护学院的何祎辉（通讯作者）、申楠楠、何绪昶、高婷婷、肖宝等人，与美国西北大学的Mercouri G. Kanatzidis（通讯作者）、Khasim Saheb Bayikadi、Bruce W. Wessels等研究人员合作完成。研究成果以“Single photon γ-ray imaging with high energy and spatial resolution perovskite semiconductor for nuclear medicine”为题，于2025年发表于国际知名期刊 Nature Communications 上。
学术背景 本研究属于核医学成像技术和半导体辐射探测器领域。精准医疗的兴起对单光子发射计算机断层扫描（SPECT）等核医学成像技术提出了更高要求，迫切需要提升探测器的能量分辨率（Energy Resolution, ER）、探测灵敏度和空间分辨率。目前，SPECT系统主要采用闪烁体探测器（如NaI(Tl)）或半导体探测器（如碲锌镉，CdZnTe）。闪烁体探测器虽应用广泛，但其能量分辨率较差（~9.8% @141 keV），空间分辨率有限（~5 mm）。以CdZnTe为代表的半导体探测器具有更好的能量分辨率（~5.5% @141 keV）和空间分辨率（~2.8 mm），但其晶体生长困难、成本高昂、空穴输运性能不佳导致的“低能拖尾”等问题限制了其市场普及。近年来，钙钛矿半导体（尤其是CsPbBr₃）因其优异的载流子输运特性、高阻止本领、低成本及易于规模化生长的潜力，成为辐射探测器领域极具前景的新材料。此前研究已在平面型CsPbBr₃探测器上取得了1.4% @ 662 keV的能量分辨率。然而，钙钛矿半导体在核医学单光子γ射线成像方面的实际应用能力尚未得到验证，其迈向实用化仍面临电荷收集效率（Charge Collection Efficiency, CCE）不均一、表面缺陷导致性能不稳定等挑战。
本研究旨在开发一种适用于核医学成像的高分辨率钙钛矿γ射线“相机”。具体目标包括：1）制备高性能、高均匀性的像素化钙钛矿探测器；2）实现超越现有技术的优异能量分辨率；3）证明其在常用核医学放射性核素（如锝-99m，⁹⁹ᵐTc）单光子γ射线成像中的能力，展示高灵敏度和空间分辨率。
详细研究流程 本研究流程系统而严谨，主要包含以下几个核心步骤：晶体生长与表征、探测器表面处理与界面优化、像素化探测器制备与性能评估、深度分辨信号分析与校正、单光子γ射线成像演示。
1. 高质量CsPbBr₃单晶生长与基础表征 研究团队采用改进的布里奇曼熔体法生长了直径达30 mm的光谱级CsPbBr₃单晶。通过精确控温的定制四区立式布里奇曼炉，以1.0 mm/小时的速率下拉晶体，避免了热致开裂和过冷现象。对生长的晶体进行了全面表征：透射光谱显示近80%的高透光率，表明晶体光学质量高、无明显吸收中心。稳态光致发光（PL）谱显示峰值在543 nm的束缚激子发射。通过时间分辨PL测得的载流子寿命较长（快组分76 ns，慢组分达276 ns），表明非辐射复合中心少，晶体质量高。通过热激发电流谱（TSC）测得浅能级陷阱密度较低（~2.1 × 10¹⁴ cm⁻³），证实了其探测器级质量。利用²⁴¹Am α粒子瞬态脉冲测量估算了空穴迁移率约为31 cm²/(V·s)，并且空穴寿命长达数百微秒，这为实现高效厚探测器提供了基础。
2. 表面处理与电荷收集均匀性优化 表面粗糙度和缺陷严重影响金属-半导体界面的电荷收集。研究发现，传统的机械抛光会在CsPbBr₃晶体表面留下数百纳米深的划痕，导致电极沉积不均和CCE下降。为了定量评估电荷输运的不均匀性，研究团队开发了原位光电响应微区成像（Photoelectrical Responsive Micromapping, PEµM）方法。该方法使用482 nm皮秒脉冲激光（模拟γ射线产生电子-空穴对）作为激发源，通过显微物镜聚焦至样品表面（光斑直径~8 µm），并利用电机平台进行二维扫描，同步记录每个扫描点处的脉冲高度，从而绘制出表面响应均匀性图谱。结果显示，仅机械抛光的表面，划痕区域脉冲幅度显著降低，CCE不均一。
为解决此问题，团队开发了一种化学-机械抛光（Chemical-Mechanical Polishing）工艺，使用二甲基亚砜（DMSO）与润滑剂的混合物作为化学蚀刻剂。DMSO能有效溶解CsPbBr₃的前驱体，在室温下移除受损的表面层。处理后，表面粗糙度从约15.8 nm显著降低至5.5 nm。PEµM测试表明，处理后的表面响应均匀性得到极大改善，脉冲高度和通道数高度一致。空间电荷限制电流（SCLC）测量也证实，经DMSO处理的表面陷阱密度降低了一个数量级。团队还系统比较了异丙醇（IPA）、甲苯、氢溴酸水溶液（HBr）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）等溶剂的处理效果，最终确认DMSO在获得光滑、低缺陷表面方面效果最佳。
3. 像素化探测器设计与制备 为了适用于成像并克服CsPbBr₃中电子陷阱效应导致的低能拖尾问题，研究制备了非对称电极结构的4×4像素化探测器。选择铟镓合金（EGaIn）作为阳极（平面电极），金（Au）作为阴极（像素化电极）。通过光刻掩模蒸镀技术制备了两种规格的像素阵列：器件E（厚度3.6 mm，像素尺寸1.0×1.0 mm²，间距1.2 mm）和器件I（厚度5.6 mm，像素尺寸1.5×1.5 mm²，间距1.6 mm）。像素化设计利用了“小像素效应”，使得阴极输出信号主要反映空穴漂移的感应电荷，从而最小化电子捕获的不利影响。所有器件采用石蜡封装以保持稳定。
4. 探测器性能测试与多通道读出系统 团队开发了包含17通道前置放大器（用于16个像素和1个阳极）和数据采集卡的数字读出系统，用于同步采集和数字化输出脉冲波形。性能测试使用了一系列标准放射源：⁵⁷Co（122 keV）、⁹⁹ᵐTc（141 keV）、²²Na（511 keV）和¹³⁷Cs（662 keV）。对于每个像素，信号经过前置放大、主放大器成形后，由多道分析器获取能量谱。同时，数字系统记录原始波形用于深度分析。漏电流在主动冷却（~15-20°C）下被抑制至极低水平（像素电极0.3-2 nA），确保了电学稳定性。
5. 深度相互作用分析与信号校正 为实现超高分辨率成像并减小视差误差，研究对γ射线相互作用深度（Depth-of-Interaction, DOI）进行了分析。通过测量阳极和阴极信号的波形，提取空穴漂移时间。由于权重电位分布的重叠或电荷云的扩展，单个相互作用事件可能引发相邻像素的响应（电荷共享）。研究通过分析阴极/阳极信号幅度与漂移时间的关系，实现了深度校正。具体流程是：将漂移时间范围划分为30个深度区间，对齐每个区间内的光电峰 centroid，生成深度-增益校正曲线。对每个事件，根据其漂移时间计算相互作用深度，并应用校正。此外，还去除了靠近阴极25%厚度内的“近像素事件”，进一步优化能谱。
6. γ射线成像演示 使用⁹⁹ᵐTc（141 keV，半衰期6.02小时）作为成像源，进行了三类成像实验： * 泛场成像与能谱评估：使用无准直的⁹⁹ᵐTc源评估所有像素的能谱性能。 * 点源和线源成像：使用钨制单平行孔准直器（孔径0.5 mm，厚3.5 mm）和线准直器（线宽0.5 mm）进行成像。将装载Na⁹⁹ᵐTcO₄溶液的毛细管置于准直器后，采集每个像素在135-146 keV能量窗口内的计数，生成图像。计算了探测灵敏度。 * 微型Derenzo体模成像：将⁹⁹ᵐTc溶液注入直径为0.7 mm的柱状源中，排列成间距7 mm的三柱源或单柱源。将体模置于二维移动平台上，使用单平行孔准直器，以0.3或0.4 mm步长扫描，在每个位置采集30秒能谱，通过计数生成图像，评估系统空间分辨率。
主要结果 1. 优异的能量分辨率： 经过表面优化和像素化设计，探测器表现出创纪录的能量分辨率。器件I在⁹⁹ᵐTc 141 keV γ射线上的整体能量分辨率为2.5%，单个像素最佳可达2.2%。在¹³⁷Cs 662 keV γ射线上，单个像素最佳能量分辨率达到0.87%，整体经深度校正后为1.0%。在⁵⁷Co 122 keV和²²Na 511 keV γ射线上，也分别取得了2.4%和0.93%的最佳能量分辨率。所有能谱均显示出高的光电峰比例和极低的低能拖尾，证明了近乎 unity 的电荷收集效率和卓越的谱学分辨能力。性能稳定性测试表明，在连续工作超过11小时后，峰值位置和计数率均未发生漂移。探测器在存放33天后性能也未出现明显下降。
2. 高均匀性与深度响应分析： PEµM和像素能谱结果共同证实了化学-机械抛光处理后探测器响应的高度均匀性。¹³⁷Cs深度分析显示，16个像素在深度校正后的能量分辨率在0.9%–1.6%之间，峰值康普顿比在3.5–6.6之间，表明在整个探测器体积内响应均匀。阳极/阴极信号幅度比与漂移时间呈线性关系，证实了探测器内部电场的均匀分布。计算出的空穴迁移率-寿命积（μτₕ）优于2.0 × 10⁻² cm²/V。
3. 高灵敏度单光子γ射线成像： 点源和线源成像实验清晰地区分出了准直器的形状，只有对准开口上方的像素显示高计数。计算得出的探测灵敏度高达0.13%–0.21% cps/Bq（每秒计数/贝可勒尔）。器件E和器件I的本征空间分辨率分别为1.2 mm和1.6 mm。
4. 卓越的空间分辨率体模成像： 微型Derenzo体模成像结果清晰地区分出了间距为7 mm的三个柱状源。通过计数剖面曲线计算得到的系统空间分辨率（半高全宽，FWHM）约为3.2–3.8 mm。这一结果直接展示了该钙钛矿γ射线相机在分辨微小放射源分布方面的强大能力。
结论与意义 本研究成功开发并演示了一种基于CsPbBr₃钙钛矿半导体的高分辨率γ射线相机，首次实现了钙钛矿材料在核医学单光子γ射线成像中的应用。研究通过创新的化学-机械表面处理工艺解决了界面电荷收集不均一的难题，结合像素化探测器设计和先进的深度校正算法，实现了接近理论极限的能量分辨率、高均匀性和长期稳定性。在⁹⁹ᵐTc成像中展示的高灵敏度（0.13%–0.21% cps/Bq）和优越空间分辨率（~3.2 mm）表明，钙钛矿探测器在关键性能指标上已达到甚至优于部分现有技术（如CdZnTe），同时兼具低成本潜力。
本研究的科学价值在于系统性地打通了高性能钙钛矿辐射探测器从材料制备、器件工程到成像应用的全链条，为钙钛矿半导体在核医学成像领域的实用化奠定了坚实的实验和理论基础。其应用价值巨大，为解决当前核医学成像设备成本高、普及难的问题提供了极具竞争力的新方案。这项技术有望在未来推动SPECT等设备向更高性能、更低成本发展，使精准核医学诊断更广泛地惠及患者。
研究亮点 1. 首创性应用验证：首次实现了钙钛矿半导体探测器对⁹⁹ᵐTc单光子γ射线的高质量成像，填补了该材料在核医学成像应用领域的空白。 2. 创纪录的性能指标：实现了钙钛矿γ射线探测器能量分辨率的新突破（0.87% @ 662 keV；2.2% @ 141 keV），处于该领域国际领先水平。 3. 关键工艺创新：开发了基于DMSO的化学-机械抛光工艺，并结合原创的PEµM表征方法，定量评估并大幅提升了探测器表面的电荷收集均匀性，这是实现高性能像素化探测器的关键。 4. 系统性技术集成：从晶体生长、表面处理、像素化器件设计、多通道电子学读出到深度校正算法和成像演示，形成了一套完整、可复制的技术方案。 5. 卓越的成像效果：在体模成像中清晰分辨7 mm间距的微小放射源，直观证明了其在实际成像应用中的巨大潜力。
其他有价值内容 研究团队对探测器长期稳定性和可靠性的关注与验证（如长时间工作测试、存放后性能复测、低漏电流控制），增强了该技术迈向实际应用的信心。文中还对比了钙钛矿探测器与传统NaI(Tl)和CdZnTe探测器的性能参数，突出了其在高能量分辨率、高空间分辨率与低成本方面的综合优势。此外，对电荷共享效应和深度相互作用的深入分析与校正，展现了面向未来超高清成像的精细化数据处理能力。