打破有史以来最薄X射线探测器的世界记录

澳大利亚墨尔本的激子科学实验室。
信用:激子科学/墨尔本大学

这种新型x射线探测器灵敏度高,反应速度快,厚度不到10纳米,有一天可以用于细胞生物学的实时成像。

澳大利亚科学家利用一硫化锡(SnS)纳米片制造出史上最薄的X射线探测器,有可能实现细胞生物学的实时成像。

X射线探测器是一种工具,可以通过视觉或电子方式识别辐射传输的能量,如医学成像或盖革计数器。

SnS作为一种材料在光伏、场效应晶体管和催化方面已经显示出巨大的应用前景。

现在,各位委员:ARC激子科学卓越中心,基于莫纳什大学皇家墨尔本理工大学已经证明SnS纳米片也是用作软x射线探测器的极好的候选材料。

他们的研究发表在《华尔街日报》上先进功能材料,表明SnS纳米片具有较高的光子吸收系数,可用于制作具有高灵敏度和快速响应时间的超薄软X射线探测器。

这些材料被发现比另一种新出现的候选者(金属卤化物钙钛矿)更敏感,具有比已建立的探测器更快的响应时间,并且可以调整软X射线区域的灵敏度。

该团队制造的SnS X射线探测器厚度不到10纳米。为了让人看得清楚,一张纸大约有100000纳米厚,你的指甲每秒长约一纳米。此前,最薄的X射线探测器的厚度在20到50纳米之间。

探索SnS X射线探测器的全部潜力还有大量工作要做,但是Jacek Jasieniak教授莫纳什大学材料科学与工程系的教授、该论文的资深作者认为,这有可能在某一天导致细胞过程的实时成像。

“SnS纳米片的反应非常快,在几毫秒内,”他说。

“你几乎可以在瞬间扫描某个物体并获得图像。传感时间决定时间分辨率。原则上,由于具有高灵敏度和高时间分辨率,你可以实时看到物体。

“你也许可以用这个来观察细胞的相互作用。你不仅可以生成静态图像,还可以使用x射线看到蛋白质和细胞的进化和移动。”

为什么如此敏感和灵敏的探测器如此重要?x光大体上可以分为两类:硬x光是医院用来扫描身体是否有骨折和其他疾病的x光。

也许不太为人所知,但同样重要的是“软”x射线,它的光子能量较低,可以用来研究湿蛋白和活细胞,这是细胞生物学的关键组成部分。

其中一些测量是在“水窗”中进行的,这是电磁波谱的一个区域,在这个区域中,水对软x射线是透明的。

软X射线探测可以使用同步加速器(一种粒子加速器,如瑞士的大型强子对撞机)进行,但要获得这种昂贵的基础设施是很困难的。

非同步软x射线激光源的最新进展可能允许更低的成本,便携式检测系统的设计,为世界各地的研究人员提供一个易于使用的替代同步加速器。

但要使这种方法发挥作用,我们需要对低能X射线高度敏感、提供优异的空间分辨率且具有成本效益的软X射线探测器材料。

一些现有的软X射线探测器使用一种间接机制,其中电离辐射被转换为可见光子。这种方法允许研究多个能量范围和帧速率,但制备困难,分辨率有限。

直接检测方法更容易制备,分辨率更高,因为探测器材料比间接方法更薄。

好的候选材料需要一个高的x射线吸收系数,该系数是利用吸收原子的原子数、x射线入射能量、原子密度和原子质量来计算的。

高原子质量和低能量的x射线有利于高吸收,与硬x射线相比,软x射线在薄材料中吸收更强。

纳米晶体薄膜和铁磁薄片已经显示出作为某些类型的软x射线探测器的前景,但它们没有很好的装备来处理水区域。

这就是SnS纳米片发挥作用的地方。

主要作者之一,Nasir Mahmood博士他说SnS纳米片的灵敏度和效率在很大程度上取决于它们的厚度和横向尺寸,这是不可能通过传统的制造方法来控制的。

使用基于液态金属的剥离方法,研究人员可以生产出高质量、大面积、厚度可控的薄片,可以有效地探测水中的软X射线光子。通过堆叠超薄层,可以进一步提高其灵敏度。

与现有的直接软X射线探测器相比,它们在灵敏度和响应时间方面有了重大改进。

研究人员希望他们的发现将为开发基于超薄材料的下一代高灵敏度X射线探测器开辟新的途径。

第一作者Babar Shabbir博士莫纳什大学材料科学与工程系的教授说:“从长远来看,要想将其商业化,我们需要测试一个多像素的设备。目前我们还没有成像系统。但这为我们提供了一个知识平台和一个原型。”

期刊:高级功能材料
内政部:10.1002 / adfm.202105038
研究方法:实验研究
研究主题:不适用
文章题目:基于SnS纳米片的水窗区软x射线探测器
文章发表日期:2021年10月27日
COI声明:作者声明没有利益冲突。

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