西北工业大学黄维院士团队发现全无机钙钛矿纳米晶闪烁体

2018年08月29日14:13  来源:人民网-科技频道
 

如果医院有一款超灵敏的X射线探测检测器,每一次X光检查对人体的有害辐射可极大地减少,甚至危害可忽略,你会不会觉得安全了很多。

日前,西北工业大学黄维院士与新加坡国立大学刘小钢教授以及福州大学杨黄浩教授带领下的国际合作团队,在X射线闪烁体研究领域取得了突破性的重大进展,使之成为可能。

在长期研究的基础上,他们发现了一类全无机钙钛矿纳米晶闪烁体,其在可见光区可调谐。较之于传统闪烁体,基于该类纳米晶制备而成的闪烁体对X射线具有高效的辐射发光响应。该工作不仅实现了基于该型闪烁体的彩色辐射发光显示,还集成了一种柔性和超高灵敏度的X射线探测器,探索了X射线探测器的结果可视化以及在电子电路领域的应用。这些原创性成果于8月27日在《自然》杂志上在线发表。

闪烁体到底是啥?可能很多人都没听过这个词,但其实,我们的日常生活中并不陌生。

闪烁体是一类吸收高能粒子或射线后能够发光的材料,可用于辐射探测和安全防护,通常在应用中将其加工成晶体,称为闪烁晶体。

在医学上,闪烁体是核医学影像设备比如X光、CT等检查设备的核心部件。同时,在行李安检、集装箱检查、大型工业设备无损探伤、石油测井、放射性探测、环境监测等领域,闪烁体都发挥着不可替代的作用。

以往常规闪烁体一般是在高温条件下煅烧合成,不仅价格昂贵,而且对X射线光子能量的转化效率有限,其辐射发光性能很难在可见光区调谐。

有鉴于此,黄维院士团队在研究中发现了一种含有铯和铅重原子成分的钙钛矿纳米晶闪烁体,具有较强的X射线吸收能力、高效的三重态发光特征、可调控的电子能级结构以及较快的辐射发光速率。

和其他无机闪烁体不一样的是,这些钙钛矿纳米晶是通过溶液制得,合成温度相对较低,因此可以产生X射线诱导的激发,通过对合成前驱体中阴离子的改变就可实现在可见光区的可调谐。

研究人员利用钙钛矿纳米晶闪烁体特征制造出的柔性和高灵敏的X-射线探测器,探测极限最低可达到13 nGy s-1,是普通医学成像辐射剂量的1/400。也就是说,医院拍片后对人体辐射剂量的1/400,都可以被这个探测器探测到。

这种辐射发光颜色可调的钙钛矿纳米晶闪烁体,为X射线的可视化探测提供了更为简便的方法,只需要通过数码相机记录相关图片即可。除此之外,还可以和商业平板成像仪集成,用于检测电子电路板的低剂量X-射线辐射。

此外,该类钙钛矿纳米晶闪烁体的发现为制备大面积柔性闪烁体膜提供了可能性,可极大地提高X射线检测与成像灵敏度,降低X射线在医学诊断和X光机安全检查等方面的辐射使用剂量,使得基于X光的应用更加安全。

该研究成果为实现闪烁体材料的性能调控提供了全新思路和途径。这类钙钛矿纳米晶闪烁体的出现,不仅能够大大促进X射线检测技术与成像原理在医学成像、国防科技、安全检查和高能物理研究等众多传统领域的进一步发展,同时也将推动纳米发光材料新兴领域在国计民生中的应用。

相关研究工作以“All-inorganic Perovskite Nanocrystal Scintillators”为题于Nature杂志在线发表,黄维为该论文的共同通讯作者。该研究工作得到了国家重大科学研究(973)计划(2015CB932200 钙钛矿型太阳电池的基础研究)和国家自然科学基金(21635002、21471109、21210001、21405143)的支持。

据悉,2014年以来,黄维院士领衔的创新团队已相继在《自然》(Nature)《自然.材料》(Nature.Materials)《自然.纳米技术》(Nature Nanotechnology)《自然.光子学》(Nature Photonics)和《自然.通讯》(Nature Communications)等国际顶尖学术期刊上发表一系列重要学术成果。此次发现的全无机钙钛矿纳米晶闪烁体实现多彩辐射发光和超灵敏X射线检测,是该团队取得的又一重大科研成果。(王凡华)

(责编:孙竞、熊旭)

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