在顶级学术期刊《Nature Communications》上，一项由中国科学院深圳先进技术研究院、华中师范大学等多个机构的研究团队于2024年发表的研究引起了广泛关注。该研究题为《基于丝网印刷钙钛矿CMOS阵列的动态X射线成像》，报道了一种高性能、可直接转换的X射线成像探测器的开发与应用。该工作由Yongshuai Ge、Xiangming Sun、Hairong Zheng及Xue-Feng Yu等人共同领导，第一作者为Yanliang Liu和Chaosong Gao。此项研究属于类型a：对一项原创性研究的报告。以下是对该研究的详细学术报告。
学术背景
自1895年发现以来，X射线成像已成为现代生物医学诊断（如心血管、肺部及癌症疾病）不可或缺的工具。为了获得高质量的影像，业界对X射线探测器提出了高空间分辨率、快速成像速度及优异的低剂量成像性能等严苛要求。目前，商用X射线探测器主要分为间接转换型和直接转换型两类。间接转换型探测器通过闪烁体材料将X射线光子先转换为可见光，再由光电传感器记录，此过程存在光散射问题，限制了空间分辨率。直接转换型探测器则使用半导体材料，X射线光子直接在其中产生电子-空穴对，通过电场收集电信号，理论上具有更高的空间分辨率与灵敏度。
然而，现有商用直接转换型探测器所使用的半导体材料存在显著局限性。例如，非晶硒（α-Se）的原子序数较低（Z=34），对高能X光子的阻止能力弱，仅适用于低能范围（<50 keV）。而碲锌镉（CdZnTe）或碲化镉（CdTe）晶体虽然对高能光子（>140 keV）探测性能优异，但其大尺寸晶体生长困难、成本高昂，难以制造大面积探测器，限制了其在通用医学成像中的普及。
近年来，卤化铅钙钛矿材料因其高X射线吸收系数、高电荷载流子迁移率（μ）及长载流子寿命（τ）等优异特性，在超高灵敏度X射线探测领域展现出巨大潜力。尽管已有研究尝试将钙钛矿薄膜集成到薄膜晶体管（TFT）阵列上，但如何与像素化阵列高质量集成并有效降低暗电流仍然是巨大挑战。同时，互补金属氧化物半导体（CMOS）像素阵列因其像素尺寸小（可小于5 μm）、读出速度快、噪声低、功耗低且易于集成专用电路以抑制暗电流等优势，在高端成像领域占据主导地位。因此，将钙钛矿材料与CMOS阵列结合，有望开发出具有前所未有的空间与时间分辨率的下一代直接转换X射线探测器。本研究正是瞄准这一前沿，旨在开发一种基于全无机钙钛矿CsPbBr₃厚膜、与CMOS阵列集成的直接转换型X射线成像探测器，并评估其在动态、高分辨率、低剂量二维及三维计算机断层扫描（CT）成像中的应用潜力。
详细工作流程
本研究是一个多学科交叉的系统工程，涵盖了材料制备、器件加工、性能表征及成像验证等多个环节。
首先，在材料与薄膜制备环节，研究团队开发了一种丝网印刷工艺来制备高质量、大面积的CsPbBr₃厚膜（>300 μm）。具体步骤如下： 1. 前驱体浆料制备：将等摩尔质量的CsBr和PbBr₂混合在DMF/DMSO极性溶剂中，通过行星式球磨获得CsPbBr₃前驱体浆料。研究系统探索了DMF与DMSO比例对浆料粘度（从110 mPa·s至9458 mPa·s）及最终薄膜晶体质量的影响。 2. 丝网印刷与热处理：将具有特定粘度（最终选定DMF/DMSO=3/7，粘度4101 mPa·s）的浆料通过丝网印刷到预涂有SnO₂电子传输层的衬底（玻璃/ITO或CMOS芯片）上，形成所需厚度和形状的前驱体膜。 3. 热压与结晶：印刷后的前驱体膜先经100°C预热，形成含有残余DMSO的CsPbBr₃中间体薄膜。随后，该薄膜在150°C和0.5 MPa压力下进行热压处理。这一关键步骤有助于重新排列钙钛矿晶粒，生成致密、紧凑的CsPbBr₃厚膜，从而显著提升材料的结晶度和电荷传输性能。最终在150°C下加热完成薄膜制备。
其次，在探测器器件装配环节，研究将上述制备的CsPbBr₃厚膜与定制的CMOS读出阵列集成。该CMOS阵列规模为72×72像素，单个像素尺寸为83.2 μm。在钙钛矿薄膜顶部丝网印刷碳电极作为公共顶电极。CMOS阵列的每个像素内部都集成了一个电荷灵敏放大器（CSA），该电路设计可通过调节反馈电阻来有效抑制源自钙钛矿层的暗电流，这是本研究的核心技术之一。整个探测器有效成像面积为6.0 mm × 6.0 mm。为对大样本成像，探测器被安装在一个可在水平和垂直方向高速扫描的运动平台上。
第三，在性能表征与成像验证环节，研究进行了系统性的实验： 1. 材料与电学特性表征：通过空间电荷限制电流（SCLC）测试，测得CsPbBr₃厚膜的电荷载流子迁移率高达22.5 cm² V⁻¹ s⁻¹。根据光电导测试结果，利用赫希特（Hecht）公式拟合，计算出载流子迁移率-寿命乘积（μτ）高达5.2 × 10⁻⁴ cm² V⁻¹。 2. X射线响应性能测试：测量探测器在不同电场强度下的暗电流与光电流密度曲线，计算其开关比。在不同剂量率（686 至 4886 μGy_air s⁻¹）的X射线照射下，测试其时间响应与灵敏度。计算信噪比（SNR），并基于SNR=3的标准确定探测器的检测下限（LoD）。此外，还进行了长达一小时的连续工作稳定性测试。 3. 二维放射成像与三维CT成像：使用自建的台式X射线成像系统进行验证。 * 二维成像：以300帧/秒（fps）的读出速度扫描探测器，对麻醉小鼠进行数字放射摄影（DR）。为了对比，使用商用的间接转换（CsI:TI闪烁体）CMOS平板探测器在相同条件下成像。实验设置了不同剂量水平（如100%剂量和50%剂量）以评估低剂量成像能力。 * 三维成像：对鸡翅根样本进行CT扫描。样本在旋转台上连续旋转360度，每2度间隔采集一帧投影图像，共180个投影。采用标准的Feldkamp-Davis-Kress（FDK）算法配合斜坡滤波进行图像重建。 * 成像性能量化：使用1.0 mm厚的钨板斜边法测量探测器的调制传递函数（MTF），以量化空间分辨率。同时，表征了归一化噪声功率谱（NPS），以评估像素间的噪声相关性。
主要研究结果
研究在各个步骤均取得了关键数据与结果，并环环相扣，最终支撑了核心结论。
在材料制备方面，优化后的丝网印刷工艺成功制备出大面积（可达8 cm × 10 cm）、高质量的CsPbBr₃厚膜。X射线衍射（XRD）分析表明，当DMF/DMSO比例适中时（如3/7），薄膜结晶性良好。过量的DMSO会导致零维Cs₄PbBr₆杂相生成，降低结晶度，不利于电荷传输。热压工艺显著提升了薄膜质量，时间分辨光致发光（TRPL）和SCLC测试结果证实了其优异的载流子传输性能，μτ值达到5.2 × 10⁻⁴ cm² V⁻¹，这是实现高效X射线电荷收集的关键参数。
在探测器性能方面，结果令人瞩目： 1. 高灵敏度与低暗电流：在80 V mm⁻¹电场下，探测器表现出高达15891 μC Gy_air⁻¹ cm⁻²的X射线灵敏度。暗电流与光电流的开关比平均为219.86，最高可达1989.32（在24 V mm⁻¹下）。集成的CSA电路有效抑制了暗电流。 2. 优异的检测限与稳定性：在80 V mm⁻¹电场下，探测器的检测下限（LoD）低至321 nGy_air s⁻¹。一小时内，暗电流和光电流的漂移率极低，分别为5.2×10⁻⁵ 和 3.2×10⁻⁴ nA mm⁻¹ s⁻¹ V⁻¹，表现出良好的工作稳定性。长期辐照后薄膜的XRD和PL谱与原始样品相似，表明材料具有优异的辐照稳定性。 3. 高空间分辨率：对标准分辨率测试卡成像显示，该探测器能够分辨空间分辨率高达5.0 lp mm⁻¹的线对（硬件极限为6.0 lp mm⁻¹）。MTF曲线进一步证实，10% MTF对应的空间频率约为5.0 lp mm⁻¹。 4. 高速成像能力：探测器对方波X射线的响应上升和下降时间分别为2.5 ms和2.8 ms，配合300 fps的高速扫描，能够快速对大于5 cm × 10 cm的样本进行成像。
在成像验证方面，结果直接证明了其应用潜力： 1. 高质量二维DR成像：与商用间接转换CMOS探测器相比，在相同辐射剂量（520 nGy）下，本研究开发的钙钛矿CMOS探测器获取的小鼠骨骼影像（如头骨、肋骨、骨盆）更加清晰锐利，噪声更低。更令人印象深刻的是，即使将辐射剂量降低50%（至260 nGy），其成像质量仍优于全剂量下的商用间接转换探测器，凸显了其卓越的低剂量成像性能。 2. 成功的三维CT成像：对鸡翅根样本的CT扫描成功重建出高对比度的三维图像，骨骼结构与软组织清晰可辨，验证了该探测器用于CT成像的可行性。 3. 优良的系统性能：近乎平坦的NPS曲线表明，探测器像素间的信号串扰极小。快速的数据采集与读出系统（基于FPGA和高速ADC）保障了动态成像的实现。
研究结论与价值
本研究成功开发并验证了一种基于丝网印刷全无机CsPbBr₃钙钛矿厚膜与CMOS读出阵列集成的新型直接转换X射线探测器。该探测器集高载流子迁移率-寿命积（5.2 × 10⁻⁴ cm² V⁻¹）、高灵敏度（15891 μC Gy_air⁻¹ cm⁻²）、低检测限（321 nGy_air s⁻¹）、高空间分辨率（5.0 lp mm⁻¹）和高帧率（300 fps）于一身。
其科学价值在于，为高性能直接转换X射线探测器的开发提供了一条切实可行的技术路径：通过丝网印刷这一可扩展的制备工艺解决了钙钛矿厚膜大面积均匀制备的难题；通过热压后处理显著提升了薄膜的结晶质量和电学性能；通过与定制化CMOS像素阵列（集成CSA电路）的创新性结合，有效克服了钙钛矿探测器暗电流高、与像素化阵列集成困难的瓶颈，充分发挥了钙钛矿材料高X射线吸收和CMOS阵列高分辨率、低噪声、高速读出的双重优势。
其应用价值巨大且明确：该技术为下一代高性能、低成本、大面积X射线成像设备奠定了基础。特别是在动态生物医学X射线成像和CT成像领域，有望在显著降低患者所受辐射剂量的同时，提供更高空间分辨率的影像，使X射线检查更加安全、精准。此外，该技术在无损检测、安全扫描等领域也具有广阔的应用前景。
研究亮点
其他有价值的内容
研究团队详细阐述了CMOS读出阵列的设计细节，包括滚动快门读出方案、像素内CSA和两级级联源跟随器电路等，为相关领域研究者提供了宝贵的设计参考。此外，文中对DMF/DMSO溶剂比例、粘度与最终薄膜晶体质量关系的系统性研究，对丝网印刷钙钛矿薄膜的工艺优化具有普适性指导意义。伦理声明部分也体现了研究符合动物实验伦理规范。所有相关数据均已公开，体现了研究的可重复性和开放性。