數(shù)字平板探測(cè)器是當(dāng)今臨床 X 射線成像系統(tǒng)的核心。但是平面探測(cè)器與人體復(fù)雜的 3D 形狀不匹配。使用彎曲檢測(cè)器可能是更好的選擇，與平面檢測(cè)器相比，它可以最大限度地減少圖像邊緣周圍的失真并減少漸暈。然而，由于底層無(wú)機(jī)(主要是硅基)半導(dǎo)體技術(shù)的剛性和脆性，生產(chǎn)柔性探測(cè)器的嘗試迄今尚未成功。
創(chuàng)建彎曲 X 射線探測(cè)器的一個(gè)有前途的替代方案是使用 "無(wú)機(jī)-有機(jī) "混合半導(dǎo)體。一種候選結(jié)構(gòu)包括集成到由 p 型聚合物 P3HT 和 n 型 PC 70 BM組成的有機(jī)本體異質(zhì)結(jié) (BHJ) 中的 X 射線衰減氧化鉍納米粒子。
為了使這種材料能夠有效地作為弧形探測(cè)器發(fā)揮作用，它必須將高可彎曲性與優(yōu)化的探測(cè)性能結(jié)合起來(lái)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，薩里大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)研究了 P3HT 分子量對(duì)這些摻入納米顆粒的 BHJ (NP-BHJ) X 射線探測(cè)器的機(jī)械和電學(xué)性能的影響。
研究人員在《Advanced Science》上報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)，他們發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)整有機(jī)半導(dǎo)體的分子量以延長(zhǎng)聚合物鏈，他們可以為醫(yī)療應(yīng)用創(chuàng)建堅(jiān)固、高靈敏度的彎曲 X 射線探測(cè)器。
主要作者Prabodhi Nanayakkara在一份新聞聲明中說(shuō)：“我們的彎曲探測(cè)器概念顯示出卓越的機(jī)械堅(jiān)固性，并使彎曲半徑小至 1.3 毫米。與需要昂貴的晶體生長(zhǎng)方法的硅或鍺制成的傳統(tǒng)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體相比，使用有機(jī)或‘無(wú)機(jī)-有機(jī)’半導(dǎo)體也更具成本效益。”
性能參數(shù)
為了研究 P3HT 分子量對(duì)探測(cè)器性能的影響，Nanayakkara 及其同事使用四種 P3HT 分子量(25、37、46 和 55 kDa)創(chuàng)建了剛性 NP-BHJ 探測(cè)器，這些分子量通常用于基于P3HT的光電設(shè)備。他們?cè)诓ＡЩ迳现圃炝颂綔y(cè)器，并結(jié)合了 55 µm 厚的 NP-BHJ 薄膜。
該團(tuán)隊(duì)評(píng)估了一系列參數(shù)，包括暗電流、光電流特性和電荷傳輸特性。探測(cè)器暗電流隨著聚合物分子量的降低而降低。然而，在 -10 至 -200 V 的外加偏壓下，所有器件都顯示出低暗電流，完全符合工業(yè)要求的 10 pA/mm 2。對(duì)于最低的 P3HT 分子量，器件靈敏度略高，具有約為 1.5 µGy/s的檢測(cè)限(對(duì)于 70 kV X 射線源)，優(yōu)于診斷成像所需。
雖然四種設(shè)備之間的性能參數(shù)不同，但研究人員強(qiáng)調(diào)，評(píng)估的所有 P3HT 分子量都提供了出色的探測(cè)器響應(yīng)特性，包括超低暗電流、高靈敏度和快速響應(yīng)時(shí)間，突出了NP-BHJ探測(cè)器用于低劑量成像和劑量測(cè)定的潛力。
優(yōu)化可彎曲性
接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)評(píng)估了各種探測(cè)器結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。X 射線探測(cè)器需要更高的結(jié)晶度才能實(shí)現(xiàn)令人滿意的電荷提取。但是對(duì)于彎曲的探測(cè)器，更高的結(jié)晶度會(huì)導(dǎo)致機(jī)械故障。為了確定最適合彎曲 X 射線探測(cè)器的 P3HT 分子量，研究人員對(duì) NP-BHJ 薄膜進(jìn)行了掠入射廣角 X 射線散射測(cè)量。
他們發(fā)現(xiàn)由較高 P3HT 分子量制造的薄膜的結(jié)晶度較低，這表明此類薄膜具有更多的非晶區(qū)，可以在結(jié)晶區(qū)之間架橋。這些無(wú)定形區(qū)域還會(huì)增加分子間相互作用和鏈間纏結(jié)，從而在機(jī)械故障之前實(shí)現(xiàn)更大的變形。
研究人員還研究了基板厚度對(duì)各種 NP-BHJ 薄膜納米力學(xué)性能的影響。他們?cè)诤穸鹊陀?(25 µm)、等于 (50 µm) 和高于 (75 µm) 的 55 µm NP-BHJ 層的柔性聚酰亞胺基板上制造了探測(cè)器。機(jī)械性能取決于 P3HT 分子量和基材厚度。較低分子量的檢測(cè)器更硬且極脆，而在較薄基材上制造的檢測(cè)器過(guò)度卷曲并容易從基材上分層。
基于結(jié)晶度和納米力學(xué)分析，研究人員預(yù)測(cè)，更高的 P3HT 分子量和更厚的柔性??基板最適合制造彎曲的 X 射線探測(cè)器。考慮到這一點(diǎn)，他們測(cè)試了三種檢測(cè)器(75 µm 基材上的 46 和 55 kDa P3HT，以及 50 µm 基材上的 55 kDa P3HT)在不同彎曲半徑下對(duì) 40 kV X 射線輻射的響應(yīng)。
所有探測(cè)器都表現(xiàn)出出色的抗彎曲性，即使彎曲半徑小至 1.3 mm ，仍保持大約 0.17 µC/Gy/cm 2 的靈敏度和小于 1 pA/mm 2的暗電流。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)執(zhí)行向下至 1.3 毫米半徑的動(dòng)態(tài)彎曲循環(huán)，證明了探測(cè)器的機(jī)械堅(jiān)固性。100 次循環(huán)后，檢測(cè)器的靈敏度變化小于 2.8%。
“我們正在展示的技術(shù)將有助于創(chuàng)造一種革命性的新型高靈敏度 X 射線探測(cè)器，由于采用的設(shè)計(jì)和材料，該探測(cè)器具有可擴(kuò)展性。”資深作者Ravi Silva說(shuō)，“這項(xiàng)技術(shù)在醫(yī)療應(yīng)用和其他 X 射線用途方面具有巨大潛力，因此我們正在與一家衍生公司SilverRay 合作，并希望將這項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦哽`敏度、高分辨率的首選 X 射線探測(cè)器，靈活的大面積探測(cè)器。”
