p Em um novo relatório sobre Avanços da Ciência , Hsinhan Tsai e uma equipe de pesquisa em materiais, nanotecnologia, a engenharia nuclear e a ciência de raios-X no Laboratório Nacional de Los Alamos e no Laboratório Nacional de Argonne nos EUA demonstraram um novo protótipo de detector de raios-X de filme fino. O conjunto continha perovskitas em camadas bidimensionais (2-D) Ruddlesden-Popper (RP) altamente cristalinas e manteve uma alta resistividade de diodo de 10 ¹² Ohm.cm, levando a uma alta sensibilidade de detecção de raios-X de até 0,276 C Gy _ar ^-1 cm ^-3 . Para prometer imagens médicas revolucionárias com riscos mínimos para a saúde. A equipe coletou os sinais usando o potencial embutido e os resultados sustentam a operação de dispositivos fotocorrentes primários robustos existentes. Os detectores geraram tensões de circuito aberto induzidas por fótons de raios-X substanciais como um mecanismo de detecção alternativo. O trabalho sugere uma nova geração de detectores de raios-X com base em baixo custo, filmes finos de perovskita em camadas para futuras tecnologias de imagem de raios-X. p Os detectores de radiação de estado sólido podem converter diretamente os sinais de raios-X (fótons de radiação) em corrente elétrica ou cargas, com sensibilidade superior e uma alta taxa de contagem. Os dispositivos podem superar outras técnicas de detecção em uso para atender às necessidades críticas em aplicações médicas e de segurança e em instalações de Fontes de Fótons Avançadas. A fim de determinar a detectividade ou sensibilidade do dispositivo e resolver acima do ruído escuro em um detector de raios-X de alto desempenho, os cientistas devem minimizar a amplitude da corrente escura em polarização reversa e resolver a corrente gerada em baixa dosagem de raios-X.

p O processo requer semicondutores de alta pureza e junções totalmente esgotadas nas regiões ativas, enquanto os materiais semicondutores usados ​​para detecção também precisam ser robustos. Atualmente, os pesquisadores usam cristais semicondutores de alta pureza operando sob altas tensões em regiões ativas para atender a esses requisitos. Esses detectores, Contudo, precisa de uma alta tensão operacional em uma grande espessura (~ 1 cm), que causam desafios técnicos, como flutuação de carga ou altos custos de fabricação para manter grandes volumes de monocristais em aplicações de imagem escalonáveis.

p Nesse trabalho, Tsai et al. projetou um novo tipo de dispositivo de filme fino feito na configuração de junção p-i-n (três regiões dopadas de forma diferente imprensada entre a região dopada p- e n) usando perovskita 2-D para detectar com eficiência fótons de raios-X. Usando medições de espalhamento de raios-X de grande angular de incidência síncrotron (GIWAXS), a equipe confirmou a cristalinidade superior e a orientação preferencial no filme fino 2-D. Para testar a viabilidade da perovskita como detector de radiação, eles calcularam o coeficiente de absorção linear de raios-X (µ ₁ ) em função da energia incidente para três materiais diferentes, onde os valores para os materiais de perovskita eram 10 a 40 vezes maiores do que os do silício. A equipe explorou a forte absorção de raios-X observada em materiais perovskita, para alcançar o transporte e coleta de carga entre dois eletrodos. A densidade de corrente escura para o dispositivo 2-D RP (Ruddlesden-Popper) indicou uma alta resistividade escura de 10 ¹² Ohm.cm como resultado da junção do pino e das eficientes camadas de bloqueio da corrente escura em sua constituição. Quando eles expuseram os dispositivos a uma fonte de raios-X, a equipe observou um aumento gigante na densidade de corrente induzida por raios-X (J _x ) em polarização zero (curto-circuito). De forma similar, os recursos do dispositivo 2-D também contribuíram para uma tensão de circuito aberto maior de 650 mV sob a exposição aos raios-X em curto-circuito, em comparação com um diodo de silício (~ 250 mV).

p Para entender o desempenho do detector superior, Tsai et al. examinou as características J-V (densidade de corrente) dependentes de potência e campo do dispositivo em profundidade. Quando eles traçaram as curvas J-V sob vários fluxos de fótons de raios-X, os sinais do dispositivo diminuíram com a diminuição do fluxo de fótons. Outras observações sugeriram eficiência de coleta de carga quase ideal sob exposição a raios-X devido ao projeto de junção de pino de filme fino. Os resultados mostraram a eficiência do detector de película fina, mesmo em baixa exposição de dosagem. A alta tensão de circuito aberto (V _OC =650 mV) gerado no dispositivo devido à alta densidade de portadora, indicou ainda seu uso como um parâmetro de detecção alternativo, quando V _OC escalado linearmente com o fluxo de fótons durante os experimentos.

p A equipe posteriormente mediu os espectros de luminescência de raios-X do filme fino de perovskita sondando seu sinal de emissão visível sob excitação de raios-X. A via de recombinação de carga ionizada ajudou a obter uma visão mais profunda do mecanismo operacional do detector. Com base nas observações, Tsai et al. observou que quando o raio-X de alta energia excitou o material, as cargas aumentaram de intensidade e ionizaram-se com uma energia muito mais alta. As cargas então transportadas por estados de alta e baixa energia para sua eventual coleta, produzindo um sinal elétrico. Os processos permitiram alto sinal de corrente elétrica induzida por raios-X e alto V _OC geração sem perda térmica para demonstrar o excelente desempenho na detecção de raios-X no estudo.

p Outra vantagem da arquitetura do dispositivo 2-D de filme fino incluía um grande campo integrado, o que facilitou a extração rápida de portadores de raios-X. A equipe estabilizou o desempenho do dispositivo por 30 ciclos de varreduras de voltagem e exposições a raios-X e mostrou estabilidade do filme fino sob viés e exposição a raios-X. Desta maneira, Hsinhan Tsai e seus colegas desenvolveram um filme fino de perovskita em camadas de alta qualidade para projetar um candidato promissor para detectar radiação. O projeto do dispositivo de filme fino permitiu alta sensibilidade com um limite de detecção aprimorado. O dispositivo operava com baixa polarização externa para detecção estável de raios-X e íons de baixa energia, com aplicações potenciais amplamente na medicina e ciências espaciais. p © 2020 Science X Network