태양전지 소재는 의료 영상에 혁명을 일으킬 가능성이 있습니다.

X선은 검출기 재료가 불량하기 때문에 해로움과 암을 유발할 수 있습니다.

X선 투시법과 같은 고급 X선 영상 기술은 의료를 개선했지만 X선 선량률을 줄이면 환자의 피해를 줄이고 새로운 응용이 가능해집니다. 방사선 장비로 감지할 수 있는 X선의 최저 선량률은 현재 감지기에 사용되는 감쇠 재료에 의해 설정됩니다.

옥스퍼드 대학교와 케임브리지 대학교가 이끄는 연구팀은 태양전지 재료인 비스무트 옥시요오드화물(BiOI)이 시중에서 판매되는 최고의 검출기보다 거의 250배 낮은 X선 선량률을 검출할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이는 의료 영상을 보다 안전하게 만드는 동시에 X선 비디오 접근 방식과 같은 비침습적 진단을 위한 새로운 기회를 열어줄 가능성이 있습니다.

이번 연구를 주도한 옥스퍼드대학교 로버트 호이(Robert Hoye) 박사는 “우리는 의료 영상을 위한 현재의 최첨단 기술보다 100배 이상 성능이 뛰어난 X선 검출기로 BiOI 단결정을 개발했다”고 말했다. "무독성이고 공기 중에서 안정적이며 비용 효율적이고 규모에 맞게 재배할 수 있습니다. 우리는 BiOI가 차세대 비침습적 진단을 더욱 접근하기 쉽고 안전하며 효과적이게 만들 수 있는 잠재력에 매우 기대하고 있습니다."

BiOI는 가시광선을 흡수하고 공기 중에서 안정성을 유지하는 무독성 반도체입니다. 이러한 특성으로 인해 지난 10년 동안 태양전지(햇빛을 깨끗한 전기로 변환), 광전기화학 전지(햇빛을 연료로 변환), 스마트 장치에 전력을 공급하기 위한 에너지 수확 분야에서 이 소재에 대한 관심이 높아졌습니다. 응용 프로그램.

BiOI를 X선 검출기로 바꾸려는 이전 시도는 검출기의 나노결정 구조로 인한 결함으로 인한 높은 에너지 손실로 인해 실패했습니다.

연구진은 확장 가능한 증기 기반 기술을 활용하여 고품질 BiOI 단결정을 생성하는 방법을 개발하고 특허를 받았습니다.

이러한 결정의 낮은 결함 밀도로 인해 생성되는 안정적이고 매우 낮은 암전류는 재료의 X선 감도와 검출 한계를 크게 높이는 데 필수적이었습니다.

이번 연구를 공동 주도한 캠브리지 재료과학과 주디스 드리스콜(Judith Driscoll) 교수는 "이러한 단순 가공, 저온 성장, 안정적인 결정이 X선 검출에 대해 이렇게 높은 감도를 제공할 수 있다는 것을 보여주는 것은 매우 놀라운 일입니다."라고 말했습니다. 우리는 몇 년 전부터 이 물질인 BiOI에 대한 작업을 시작했으며 독성과 성능을 함께 고려할 때 다양한 광전자공학 및 감지 응용 분야에서 다른 경쟁 물질보다 더 뛰어나다는 것을 발견했습니다."

연구진은 BiOI가 X선 검출기로 효과적으로 작동하는 이유를 확인하기 위해 학제간 팀을 구성했습니다. 그들은 1조분의 1초 안에 발생하는 사건을 해결하기 위해 고급 광학 기술을 사용했습니다. 그들은 이러한 프로세스를 원자 수준에서 일어나는 일과 연결하기 위해 시뮬레이션과 결합했습니다.

그들은 전자가 격자의 진동에 연결되어 되돌릴 수 없는 에너지 손실 채널을 초래하는 독특한 경로를 발견했습니다. 다른 비스무스-할로겐화물 화합물과 달리 BiOI의 전자는 비편재화된 상태로 유지되므로 전자가 BiOI 격자 내부에서 쉽고 빠르게 흐를 수 있습니다.

동시에, 격자 진동과의 독특한 전자 상호작용은 재료에 결함이 없더라도 존재할 수 있는 되돌릴 수 없는 에너지 손실 경로를 생성합니다.

이러한 손실을 극복하려면 샘플을 냉각시켜 열 에너지를 줄이거나 전기장을 적용하여 격자에서 전자를 끌어당기십시오. 후자의 경우는 X선 검출기의 작동 방식과 완벽하게 호환됩니다.

전자는 작은 전기장을 생성하여 밀리미터 길이 규모로 이동할 수 있습니다. 이를 통해 X선 흡수에 의해 단결정에서 생성된 전자를 효과적으로 추출할 수 있습니다.

이 프로젝트를 공동 주도한 캠브리지 재료과학과 금속공학과의 Bartomeu Monserrat 박사는 "우리는 BiOI의 놀라운 광전자 특성을 완전히 설명할 수 있는 전자와 이온의 미세한 양자 역학 모델을 구축했습니다. X-ray 검출에 좋은 소재입니다."