基于CMOS芯片的高分辨、低剂量钙钛矿直接转化X射线探测器研制成功

X射线探测与成像在生物医学、工业检测和安防安检等领域应用广泛。当前商用的闪烁体（例如碘化铯）间接转化X射线探测器存在二次光电转化效率低、空间分辨率受限等技术瓶颈，无法满足高端医学影像和精密工业检测等需求。相比之下，基于半导体材料的直接转化X射线探测器只需要一次光电转换，就可直接将X射线转换成电信号，具有更高的光电转换效率和空间分辨本领，是下一代高端X射线探测器发展的前沿。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院与华中师范大学合作，在权威刊物Nature Communications在线发表研究论文“Dynamic X-ray imaging with screen-printed perovskite CMOS array”。 

团队经过两年多的联合攻关，先后解决了钙钛矿半导体晶体生长动力学、专用低暗电流CMOS像素芯片、数据读出与图像后处理等一系列关键挑战，最终在国际上首次成功研制了基于CMOS像素芯片的高分辨、低剂量钙钛矿直接转化X射线探测器。

中国科学院深圳先进技术研究院喻学锋研究员和郑海荣研究员、华中师范大学孙向明教授、中国科学院深圳先进技术研究院葛永帅研究员为本文共同通讯作者，中国科学院深圳先进技术研究院刘延亮副研究员和华中师范大学高超嵩副教授为本文共同第一作者。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-45871-2

近年来，钙钛矿半导体凭借优异的光电特性在直接转化X射线探测领域备受关注。本研究工作创新性地开发了液相法丝网印刷工艺，通过对钙钛矿晶体生长结晶过程中的动力学调控，在CMOS芯片上直接原位生长钙钛矿半导体光敏层，获得了厚度可控、致密均匀且光电特性优异的钙钛矿光敏层，材料的迁移率和寿命乘积高达5.2×10-4 cm2 V–1，X射线探测灵敏度高达1.6×104 µC Gyair–1 cm–2。CMOS芯片以300帧/秒的频率分别沿垂直和水平方向连续扫描样品，实现对小鼠和鸡腿组织等样品的大面积投影成像（尺寸≥5cm×10cm）与断层成像。相比传统的间接转化CMOS探测器，实验结果表明，该新型钙钛矿直接转化CMOS探测器有望降低50%以上的辐射剂量，同时保持优异的空间分辨率（5.0 lp mm–1）。

本工作具有显著的基础研究与应用研究相互交叉融合的特色，为打破国外长期技术封锁与垄断、研发具有自主知识产权的下一代高性能X射线探测器提供技术保障。

钙钛矿直接转化CMOS探测器及高分辨、低剂量生物医学成像结果。

该研究工作获得了深圳市基础研究重点项目、国家自然科学基金重点项目、中国科学院医学成像科学与技术系统(全国)重点实验室和国家高性能医疗器械创新中心等机构的资助。

 

 

 

审核编辑：刘清