Solarzellenmaterial hat das Potenzial, die medizinische Bildgebung zu revolutionieren

Röntgenstrahlen können aufgrund schlechter Detektormaterialien Schäden und Krebs verursachen.

Fortschrittliche Röntgenbildgebungstechniken wie die Röntgendurchleuchtung haben die medizinische Versorgung verbessert, eine Reduzierung der Röntgendosisleistung würde jedoch den Schaden für den Patienten verringern und neue Anwendungen ermöglichen. Die niedrigste Dosisleistung von Röntgenstrahlen, die von radiologischen Instrumenten erfasst werden kann, wird derzeit durch die in den Detektoren verwendeten Dämpfungsmaterialien bestimmt.

Ein Forscherteam unter der Leitung der Universitäten Oxford und Cambridge hat herausgefunden, dass Wismutoxiodid (BiOI), ein Solarzellenmaterial, Röntgendosisraten erfassen kann, die fast 250-mal niedriger sind als die besten kommerziell erhältlichen Detektoren. Dies hat das Potenzial, die medizinische Bildgebung sicherer zu machen und gleichzeitig neue Möglichkeiten für nicht-invasive Diagnostik wie Röntgenvideoansätze zu eröffnen.

Dr. Robert Hoye von der Universität Oxford, der die Arbeit leitete, sagte: „Wir haben BiOI-Einkristalle zu Röntgendetektoren entwickelt, die über 100-mal besser funktionieren als der aktuelle Stand der Technik für die medizinische Bildgebung. BiOI.“ ist ungiftig, in der Luft stabil und kann kostengünstig und in großem Maßstab angebaut werden. Wir sind sehr begeistert von dem Potenzial, das BiOI hat, um die nächste Generation nicht-invasiver Diagnostik zugänglicher, sicherer und effektiver zu machen.“

BiOI ist ein ungiftiger Halbleiter, der sichtbares Licht absorbiert und seine Stabilität in der Luft beibehält. Aufgrund dieser Eigenschaften hat das Interesse an diesem Material im letzten Jahrzehnt unter anderem für Solarzellen (Umwandlung von Sonnenlicht in sauberen Strom), photoelektrochemische Zellen (Umwandlung von Sonnenlicht in Kraftstoffe) und Energiegewinnung zur Stromversorgung intelligenter Geräte zugenommen Anwendungen.

Frühere Versuche, BiOI in Röntgendetektoren umzuwandeln, scheiterten an hohen Energieverlusten, die durch Fehler in der nanokristallinen Struktur der Detektoren verursacht wurden.

Die Forscher entwickelten und patentierten eine Methode zur Nutzung skalierbarer dampfbasierter Techniken zur Erzeugung hochwertiger BiOI-Einkristalle.

Die stabilen und extrem niedrigen Dunkelströme, die durch die geringe Defektdichte dieser Kristalle erzeugt werden, waren entscheidend für die deutliche Erhöhung der Röntgenempfindlichkeit und Nachweisgrenze des Materials.

Professorin Judith Driscoll von der Abteilung für Materialwissenschaft und Metallurgie in Cambridge, die die Arbeit mitleitete, sagte: „Der Nachweis, dass diese einfach verarbeiteten, bei niedriger Temperatur gezüchteten, stabilen Kristalle eine so hohe Empfindlichkeit für die Röntgendetektion bieten können, ist ziemlich bemerkenswert.“ Wir haben vor einigen Jahren mit der Arbeit an diesem Material, BiOI, begonnen und stellen fest, dass es andere Konkurrenzmaterialien in einer Reihe optoelektronischer und sensorischer Anwendungen in den Schatten stellt, wenn Toxizität und Leistung zusammen betrachtet werden.“

Die Forscher stellten ein interdisziplinäres Team zusammen, um herauszufinden, warum BiOI als Röntgendetektor so effektiv funktioniert. Sie nutzten fortschrittliche optische Techniken, um Ereignisse aufzulösen, die in Billionstelsekunden auftreten. Sie kombinierten sie mit Simulationen, um diese Prozesse mit dem zu verknüpfen, was auf atomarer Ebene geschieht.

Sie entdeckten einen einzigartigen Weg für Elektronen, sich mit Schwingungen im Gitter zu verbinden, was zu einem irreversiblen Energieverlustkanal führte. Im Gegensatz zu anderen Wismuthalogenidverbindungen bleiben die Elektronen in BiOI delokalisiert, sodass Elektronen leicht und schnell innerhalb des BiOI-Gitters fließen können.

Gleichzeitig entsteht durch die einzigartige Elektronenwechselwirkung mit Gitterschwingungen ein irreversibler Energieverlustweg, der auch dann bestehen würde, wenn das Material fehlerfrei wäre.

Um diese Verluste zu überwinden, kühlen Sie entweder die Probe ab, um die Wärmeenergie zu reduzieren, oder legen Sie ein elektrisches Feld an, um Elektronen aus dem Gitter zu ziehen. Letzterer Fall ist perfekt mit der Funktionsweise von Röntgendetektoren kompatibel.

Durch die Erzeugung eines kleinen elektrischen Feldes können Elektronen über einen Millimeterbereich übertragen werden. Dies ermöglicht die effektive Extraktion von Elektronen, die in Einkristallen durch Röntgenabsorption erzeugt werden.

Bartomeu Monserrat von der Abteilung für Materialwissenschaften und Metallurgie in Cambridge, der das Projekt mitleitete, sagte: „Wir haben ein mikroskopisches quantenmechanisches Modell von Elektronen und Ionen erstellt, das die bemerkenswerten optoelektronischen Eigenschaften von BiOI, die es zu einem solchen machen, vollständig erklären kann.“ gutes Material für die Röntgendetektion.“

Dies bietet einen Rahmen für die Entwicklung verschiedener Materialien mit ähnlichen vorteilhaften Eigenschaften. Eine neue Studie gibt Aufschluss darüber, wie man in Wismut-Halogenid-Komplexen delokalisierte Ladungsträger erreicht.

Die Forscher konzentrieren sich nun auf die Entwicklung von Materialien mit ähnlich günstigen Eigenschaften wie BIOI und darauf, wie sich die Zusammensetzung von BIOI ändern lässt, um seine Transporteigenschaften noch weiter zu optimieren.

Sie arbeiten auch daran, die einzigartigen Vorteile von BIOI der Gesellschaft zugänglich zu machen, indem sie Methoden entwickeln, um die Größe von BIOI-Detektoren zu vergrößern und gleichzeitig die außergewöhnlichen Eigenschaften zu bewahren, die in Einkristallen beobachtet werden.

An der Studie waren auch Forscher des Imperial College London, der Queen Mary University London, der Technischen Universität München und des CNRS in Toulouse beteiligt.

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