使用X射线观察人体内部已经彻底改变了非侵入性医疗诊断。然而，由于目前可用的探测器材料性能较差，成像所需的X射线剂量远高于背景水平。这可能会对患者造成伤害，在某些情况下甚至会导致癌症。
由牛津大学和剑桥大学联合领导的一个研究小组发现，一种太阳能电池材料氧碘化铋，能够检测到比目前商业上使用的性能最好的探测器低250倍以上的X射线剂量率。这有可能使医学成像更安全，并为非侵入性诊断开辟新的机会，例如X射线视频技术。他们的研究结果发表在《自然通讯》杂志上。
领导这项工作的牛津大学的Robert Hoye博士说：“我们已经将氧碘化铋单晶开发成X射线探测器，其工作性能是目前最先进的医学成像技术的100多倍。氧碘化铋无毒，在空气中稳定，可以经济高效地大规模种植。我们对氧碘化铋使下一代非侵入性诊断更容易、更安全、更有效的潜力感到非常兴奋。”
氧碘化铋是一种无毒的半导体，可以吸收可见光，在空气中稳定。由于这些特性，在过去的十年里，人们对这种材料的兴趣激增，这种材料用于太阳能电池（将阳光转化为清洁电力）、光电化学电池（将太阳光转化为燃料）和为智能设备供电的能量收集，以及许多其他应用。
氧碘化铋含有两种重元素，分别是铋和碘，这使材料能够强烈吸收X射线。然而，之前将氧碘化铋制成X射线探测器的尝试是无效的，因为所制造的探测器的纳米晶体性质引起的缺陷造成了显著的能量损失。
研究人员开发了一种使用可扩展的基于蒸汽的方法生长高质量氧碘化铋单晶的方法并获得了专利。这些晶体中的低缺陷密度导致了稳定和超低的暗电流，这对于大幅提高这种材料对X射线的灵敏度和检测极限至关重要。
剑桥大学材料科学与冶金系的Judith Driscoll教授共同领导了这项工作，他说：“证明这些简单加工、低温生长、稳定的晶体能够为X射线检测提供如此高的灵敏度，这是非常了不起的。几年前，我们开始研究这种名为氧碘化铋的材料，我们发现，当同时考虑毒性和性能时，它在一系列光电和传感应用中胜过其他竞争对手的材料。”
研究人员组成了一个跨学科团队，以了解为什么氧碘化铋作为X射线探测器如此有效。他们使用先进的光学技术来解决发生在万亿分之一秒以上的过程，并将其与模拟相结合，将这些过程与原子级发生的事情联系起来。
通过这项研究，该团队揭示了电子与晶格振动耦合的不同寻常的方式。与其他卤化铋化合物不同，氧碘化铋中的电子保持离域状态，这意味着电子可以在氧碘化铋的晶格中轻松快速地移动。同时，不寻常的电子与晶格振动的耦合导致了不可逆的能量损失通道，即使材料没有缺陷，这种通道仍然存在。
研究人员发现，可以通过冷却样品以减少热能，或通过施加电场从晶格中剥离电子来克服这些损失。后一种情况与X射线探测器的工作方式非常匹配。通过施加小电场，电子可以在毫米长的范围内传输，从而通过吸收X射线有效地提取单晶中产生的电子。
剑桥大学材料科学与冶金系的Bartomeu Monserrat博士是该项目的共同负责人，他说：“我们已经建立了一个电子和离子的微观量子力学模型，可以充分解释氧碘化铋的显著光电特性，使其成为X射线探测的良好材料。这为我们设计更多具有类似优势特性的材料提供了路线。
这项工作为如何在卤化铋化合物中实现离域电荷载流子提供了重要的见解。研究人员现在正致力于将这些见解应用于设计具有与氧碘化铋类似优势特性的材料，以及如何调整氧碘化铋的组成以进一步改善其传输性能。他们还致力于通过设计增加氧碘化铋探测器尺寸的途径，将氧碘化铋的独特优势带给社会，同时保留单晶中发现的独特优势。
这项研究还涉及来自伦敦帝国理工学院、伦敦玛丽女王大学、慕尼黑工业大学和图卢兹CNRS的研究人员。
这项研究于4月28日发表于《自然通讯》期刊上。
doi:10.1038/s41467-023-38008-4
