深圳先進院X射線源及X射線探測器研發取得進展
近日，中國科學院深圳先進技術研究院材料所（籌）光子信息與能源材料研究中心在X射線源和X射線探測器研發方面取得新進展，深圳先進院均為第一單位。
無機械旋轉CT可以解決以往旋轉CT掃描過程中因病人的呼吸、心跳等生理運動產生的偽影問題，實現靜態多角度探測。為了實現無機械旋轉CT掃描，目前主要使用電子槍產生的聚焦電子束在X射線靶上進行空間和角度的掃描，但掃描角度有限。受限于熱陰極及其電子束真空掃描系統的龐大體積，X射線源難以小型化，導致設備龐大且造價昂貴，高溫電子槍中熱氧化過程使得其壽命也偏短。
相比傳統熱陰極X射線源，基于場發射的冷陰極X射線源具有功耗低、尺寸小、響應速度快、聚焦性好等優點，正成為當今X射線源發展的重要趨勢。基于此，研究團隊開發了一種新型的基于場發射的冷陰極X射線源—硅/銅薄膜基底上硫化亞銅納米線/氧化石墨烯異質結構。得益于銅-硫化亞銅一體化的生長模式，其熱穩定性提升，壽命高于傳統場發射材料碳納米管一個量級。此外，氧化石墨烯的引入降低了功函數，進而降低了閾值場強。這些優點使得低成本、高壽命、低閾值場強X射線源走向大規模市場成為可能。相關成果High performance X-ray source based on graphene oxide coated Cu2S nanowires grown on copper film發表于納米領域經典期刊Nanotechnology （影響因子：3.551），碩士研究生張道書為論文第一作者，中山大學陳軍教授、深圳先進院楊春雷研究員和陳明副研究員為論文通訊作者。
有機金屬鈣鈦礦MAPbBr3具備優異的載流子輸運特性和重原子（鉛、溴）組成架構，這種出色的電荷輸運特性和結構特性是實現直接X射線轉換的理想選擇，近十年來受到廣泛關注。實現硅和鈣鈦礦的單片集成結構是將高性能鈣鈦礦X射線探測器推向大規模產業化的核心要點。然而，簡單的將整塊鈣鈦礦與硅或硅基薄膜晶體管等結合會造成相鄰像素間電信號的串擾，從而造成較低的空間分辨率。將鈣鈦礦圖案化可以解決電信號的串擾問題，常見的圖案化手段包括自下而上的光刻技術和激光劃線等技術。但是，光刻工藝中鈣鈦礦材料與有機溶劑接觸后性能容易惡化，而激光劃線工藝會造成鈣鈦礦材料的損傷和非晶化。最重要的是，受限于工藝本身限制，以上制備手段獲得的鈣鈦礦薄膜的厚度通常都是亞微米級別，厚度太薄而遠遠不足于吸收大部分X射線能量，從而造成較低的探測靈敏度。
鑒于此，研究團隊采用深硅刻蝕和鈣鈦礦原位生長技術，成功實現了硅基集成、厚度達300微米的圖案化鈣鈦礦。一方面，相比傳統平面結構，同軸硅鈣鈦礦的異質結構擁有更大的界面面積和更長的光生載流子壽命（更短的載流子輸運時間），因而有效增強了X射線探測器的探測率。另一方面，足夠厚度（約300微米）的鈣鈦礦保證了X射線能量的充分吸收。得益于此，團隊獲得了高靈敏度（高于商業化直接型X射線探測器α-Se一個量級）、快速響應（毫秒級別響應時間）、高分辨率（約0.5毫米）的硅基集成、像素化的直接型鈣鈦礦X射線平板探測器。該研究工作對于硅基鈣鈦礦直接型X射線平板探測器走向產業化有重要借鑒意義。相關成果Co-axial silicon/perovskite heterojunction arrays for high-performance direct-conversion pixelated X-ray detectors發表于能源領域重要期刊Nano Energy (影響因子：16.602)。碩士研究生田書凱為論文第一作者，助理研究員隋帆、研究員楊春雷和副研究員陳明為論文通訊作者。
該系列研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、深圳市等科技項目資助。
（a）Cu基底上Cu2S納米線/氧化石墨烯異質結構 （b）基于Cu2S納米線/氧化石墨烯的X射線源用于魚的成像
硅基集成、圖案化的鈣鈦礦直接型X射線平板探測器
