En un nuevo informe sobre Avances de la ciencia , Hsinhan Tsai y un equipo de investigación en materiales, nanotecnología, La ingeniería nuclear y la ciencia de rayos X en el Laboratorio Nacional de Los Alamos y el Laboratorio Nacional de Argonne en los EE. UU. demostraron un nuevo prototipo de detector de rayos X de película delgada. La configuración contenía perovskitas en capas de fase Ruddlesden-Popper (RP) bidimensionales (2-D) altamente cristalinas y mantenía una resistividad de diodo alta de 10 ¹² Ohm.cm, que conduce a una alta sensibilidad de detección de rayos X de hasta 0,276 C Gy _aire ⁻¹ cm ⁻³ . Prometer imágenes médicas revolucionarias con riesgos mínimos para la salud. El equipo recopiló las señales utilizando el potencial incorporado y los resultados respaldan el funcionamiento de los dispositivos de fotocorriente primaria robustos existentes. Los detectores generaron voltajes sustanciales de circuito abierto inducidos por fotones de rayos X como un mecanismo de detección alternativo. El trabajo sugiere una nueva generación de detectores de rayos X basados ​​en bajo costo, películas delgadas de perovskita en capas para futuras tecnologías de imágenes de rayos X.

Los detectores de radiación de estado sólido pueden convertir directamente las señales de rayos X (fotones de radiación) en corrientes o cargas eléctricas. con una sensibilidad superior y una alta tasa de recuento. Los dispositivos pueden superar a otras técnicas de detección en uso para satisfacer necesidades críticas en aplicaciones médicas y de seguridad y en instalaciones de fuentes avanzadas de fotones. Para determinar la detección o sensibilidad del dispositivo y resolver por encima del ruido oscuro en un detector de rayos X de alto rendimiento, los científicos deben minimizar la amplitud de la corriente oscura en polarización inversa y resolver la corriente generada con dosis bajas de rayos X.

El proceso requiere semiconductores de alta pureza y uniones completamente agotadas en las regiones activas, mientras que los materiales semiconductores utilizados para la detección también deben ser robustos. Actualmente, los investigadores utilizan monocristales semiconductores de alta pureza que operan bajo altos voltajes en regiones activas para cumplir con estos requisitos. Tales detectores, sin embargo, necesitan un alto voltaje de funcionamiento en un gran espesor (~ 1 cm), que provocan desafíos técnicos como la deriva de la carga o los altos costos de fabricación para mantener grandes volúmenes de monocristales en aplicaciones de imágenes escalables.

En este trabajo, Tsai y col. diseñó un nuevo tipo de dispositivo de película delgada hecho en configuración de unión p-i-n (tres regiones dopadas de manera diferente entre la región dopada p y n) usando perovskita 2-D para detectar de manera eficiente fotones de rayos X. Usando mediciones de dispersión de rayos X de gran angular de incidencia rasante de sincrotrón (GIWAXS), el equipo confirmó una cristalinidad superior y la orientación preferida en la película delgada 2-D. Para probar la viabilidad de la perovskita como detector de radiación, calcularon el coeficiente de absorción lineal de rayos X (µ ₁ ) en función de la energía incidente para tres materiales diferentes, donde los valores de los materiales de perovskita eran de 10 a 40 veces más altos que los del silicio. El equipo exploró la fuerte absorción de rayos X observada en los materiales de perovskita, para lograr el transporte y la recolección de carga a través de dos electrodos. La densidad de corriente oscura para el dispositivo 2-D RP (Ruddlesden-Popper) indicó una alta resistividad oscura de 10 ¹² Ohm.cm como resultado de la unión de clavijas y las eficientes capas de bloqueo de corriente oscura en su constitución. Cuando expusieron los dispositivos a una fuente de rayos X, el equipo observó un aumento gigante en la densidad de corriente inducida por rayos X (J _X ) en polarización cero (cortocircuito). Similar, las características del dispositivo 2-D también contribuyeron a un voltaje de circuito abierto mayor de 650 mV bajo exposición a rayos X en cortocircuito, en comparación con un diodo de silicio (~ 250 mV).

Para comprender el rendimiento del detector superior, Tsai y col. examinó en profundidad las características J-V (densidad de corriente) dependientes de la potencia y del campo del dispositivo. Cuando trazaron las curvas J-V bajo varios flujos de fotones de rayos X, las señales del dispositivo disminuyeron al disminuir el flujo de fotones. Otras observaciones sugirieron una eficiencia de recolección de carga casi ideal bajo exposición a rayos X debido al diseño de unión de clavija de película delgada. Los resultados mostraron la eficacia del detector de película fina incluso con una exposición a dosis bajas. El alto voltaje de circuito abierto (V _jefe =650 mV) generada en el dispositivo debido a la alta densidad de portadora indica además su uso como un parámetro de detección alternativo, cuando V _jefe escala linealmente con el flujo de fotones durante los experimentos.

Posteriormente, el equipo midió los espectros de luminiscencia de rayos X de la película delgada de perovskita al sondear su señal de emisión visible bajo excitación de rayos X. La vía de recombinación de carga ionizada ayudó a obtener una visión más profunda del mecanismo operativo del detector. Basado en las observaciones, Tsai y col. señaló que cuando los rayos X de alta energía excitaban el material, las cargas se alzaron e ionizaron a una energía mucho mayor. Las cargas luego se transportan a través de estados de alta y baja energía para su eventual recolección, produciendo una señal eléctrica. Los procesos permitieron una alta señal de corriente eléctrica inducida por rayos X y un alto V _jefe generación sin pérdida térmica para demostrar el desempeño sobresaliente en la detección de rayos X en el estudio.

Otra ventaja de la arquitectura del dispositivo 2-D de película delgada incluía un gran campo integrado, lo que facilitó la extracción rápida de los portadores de rayos X. El equipo estabilizó el rendimiento del dispositivo durante 30 ciclos de escaneos de voltaje y exposiciones a rayos X y mostró estabilidad de la película delgada tanto bajo sesgo como bajo exposición a rayos X. De este modo, Hsinhan Tsai y sus colegas desarrollaron una película delgada de perovskita en capas de alta calidad para diseñar un candidato prometedor para detectar radiación. El diseño del dispositivo de película delgada permitió una alta sensibilidad con un límite de detección mejorado. El dispositivo funcionó con un sesgo externo bajo para una detección estable tanto de iones como de rayos X de baja energía, con aplicaciones potenciales ampliamente en medicina y ciencia espacial.

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