Материал солнечных элементов может совершить революцию в медицинской визуализации

Рентгеновские лучи могут нанести вред и вызвать рак из-за плохих материалов детектора.

Передовые методы рентгеновской визуализации, такие как рентгеновская флюороскопия, улучшили медицинскую помощь, но снижение мощности дозы рентгеновского излучения уменьшит вред для пациентов и откроет новые возможности применения. Самая низкая мощность дозы рентгеновского излучения, обнаруживаемая радиологическими приборами, в настоящее время определяется ослабляющими материалами, используемыми в детекторах.

Группа исследователей под руководством Оксфордского и Кембриджского университетов обнаружила, что оксийодид висмута (BiOI), материал солнечных батарей, может обнаруживать дозы рентгеновского излучения почти в 250 раз ниже, чем у лучших коммерчески доступных детекторов. Это потенциально может сделать медицинскую визуализацию более безопасной, а также открыть новые возможности для неинвазивной диагностики, такой как рентгеновские видео-подходы.

Доктор Роберт Хой из Оксфордского университета, руководивший работой, сказал: «Мы разработали монокристаллы BiOI в детекторы рентгеновского излучения, которые работают более чем в 100 раз лучше, чем современные средства медицинской визуализации. BiOI нетоксичен, стабилен в воздухе и может выращиваться экономически эффективно и в больших масштабах. Мы очень воодушевлены потенциалом BiOI, который сделает следующее поколение неинвазивной диагностики более доступным, безопасным и эффективным».

BiOI — нетоксичный полупроводник, поглощающий видимый свет и сохраняющий стабильность на воздухе. Из-за этих свойств за последнее десятилетие возрос интерес к этому материалу для солнечных элементов (преобразование солнечного света в экологически чистое электричество), фотоэлектрохимических элементов (преобразование солнечного света в топливо) и сбора энергии для питания интеллектуальных устройств, среди многих других. Приложения.

Предыдущие попытки превратить BiOI в детекторы рентгеновского излучения не увенчались успехом из-за высоких потерь энергии, вызванных дефектами нанокристаллической структуры детекторов.

Исследователи создали и запатентовали метод использования масштабируемых методов на основе паров для получения высококачественных монокристаллов BiOI.

Стабильные и сверхнизкие темновые токи, создаваемые низкой плотностью дефектов этих кристаллов, были необходимы для значительного повышения чувствительности материала к рентгеновским лучам и предела обнаружения.

Профессор Джудит Дрисколл из Кембриджского факультета материаловедения и металлургии, которая руководила работой, сказала: «Показать, что эти просто обработанные, выращенные при низкой температуре стабильные кристаллы могут обеспечить такую ​​высокую чувствительность для обнаружения рентгеновских лучей, весьма примечательно. Мы начали работать над этим материалом BiOI несколько лет назад и обнаружили, что он превосходит другие конкурирующие материалы в ряде оптоэлектронных и сенсорных приложений, если учитывать токсичность и производительность вместе».

Исследователи создали междисциплинарную команду, чтобы определить, почему BiOI так эффективно работает как детектор рентгеновского излучения. Они использовали передовые оптические методы для распознавания событий, происходящих за триллионные доли секунды. Они объединили их с моделированием, чтобы связать эти процессы с тем, что происходит на атомном уровне.

Они обнаружили уникальный путь, по которому электроны соединяются с вибрациями решетки, что приводит к необратимому каналу потери энергии. В отличие от других соединений галогенида висмута, электроны в BiOI остаются делокализованными, что позволяет электронам легко и быстро течь внутри решетки BiOI.

В то же время уникальное взаимодействие электронов с колебаниями решетки создает необратимый путь потери энергии, который существовал бы, даже если бы материал был бездефектным.

Чтобы преодолеть эти потери, либо охладите образец, чтобы уменьшить тепловую энергию, либо примените электрическое поле, чтобы вытянуть электроны из решетки. Последний случай вполне совместим с тем, как работают детекторы рентгеновского излучения.

Электроны можно переносить на расстояние до миллиметра, создавая небольшое электрическое поле. Это позволяет эффективно извлекать электроны, созданные в монокристаллах путем поглощения рентгеновских лучей.

Доктор Бартомеу Монсеррат из Кембриджского факультета материаловедения и металлургии, который соруководил проектом, сказал: «Мы создали микроскопическую квантово-механическую модель электронов и ионов, которая может полностью объяснить замечательные оптоэлектронные свойства BiOI, которые делают его таким хороший материал для обнаружения рентгеновских лучей».