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柔性X射线探测器是近年来在医学成像、无损检测等领域的研究热点。传统的X射线探测器多基于刚性玻璃基板,通常用于二维平面图像采集,但在成像非平面几何结构时容易出现图像失真和不均匀性。与此相比,柔性X射线探测器能够适应目标表面的曲率,从而减少图像失真,提供更为精准的成像。特别是在低剂量X射线照射下,柔性X射线探测器能够减少对患者的辐射危害,同时保证图像质量。然而,要制造具有高灵敏度和机械柔性的柔性X射线探测器,仍面临一些挑战,尤其是如何在保持高载流子迁移率和光电响应性的同时,保证材料的机械柔性。
在此,延世大学Beom Jin Kim,Jong-Hyun Ahn以及香港理工大学柴扬携手在Nature Electronics期刊上发表了题为“A flexible active-matrix X-ray detector with a backplane based on two-dimensional materials”的最新论文。
该团队设计了一种基于二维二硫化钼(MoS2)薄膜晶体管(TFT)和石墨烯/MoS2光电探测器的柔性X射线探测器。通过合理选择材料和优化器件结构,成功实现了3,600个像素的大面积背板(3 cm × 3 cm),并且该探测器展现出17.31 cm² V⁻¹ s⁻¹的高电子迁移率和9.37 A W⁻¹的光电响应性,特别是在闪烁体发射波长544 nm附近。该团队还采用生成对抗网络(GAN)技术对探测器图像进行后处理,显著抑制了设备的固有噪声,并在低剂量X射线曝光下成功获取了高质量图像。
这一研究通过将MoS2薄膜晶体管与石墨烯/MoS2光电探测器结合,显著提高了探测器的灵敏度和图像质量,为柔性X射线探测器的实际应用,尤其是在低剂量、高质量成像方面,提供了新的技术路径。
1. 实验首次设计并制造了一种柔性有源矩阵X射线探测器,采用了基于二维二硫化钼(MoS2)晶体管和石墨烯/MoS2光电探测器的背板结构,成功覆盖了3 cm × 3 cm的面积,具有3600个像素,展现了优异的性能。2. 实验通过在低剂量(57 μGy)X射线照射下测试,得到了该探测器在544 nm闪烁体发射光附近具有9.37 A W⁻¹的光电响应性和17.31 cm² V⁻¹ s⁻¹的电子迁移率,表现出高灵敏度和优良的成像效果。3. 实验通过采用基于生成对抗网络(GAN)的后处理技术,有效抑制了设备固有的噪声,提升了图像信噪比,保证了在较低X射线曝光下仍能获取高质量的图像。4. 实验结果表明,柔性X射线探测器能够完美适应非平面目标的曲率,克服传统刚性X射线探测器存在的图像失真和不均匀性问题,具有广泛的应用前景,尤其在医疗诊断和工业检测中能够提供更为清晰、均匀的成像结果。图2: 二硫化钼MoS2 薄膜晶体管thin-film transistors,TFT和石墨烯/MoS2光电探测器性能。
本文证实了二维材料在柔性X射线探测器中的应用具有巨大的潜力,特别是在提高图像质量和灵敏度方面。通过利用MoS2薄膜晶体管和石墨烯/MoS2光电探测器的优异性能,成功实现了高灵敏度的X射线探测,尤其在低剂量X射线照射下能够获得高质量图像,这为医学成像和工业检测提供了新的技术途径。二维材料的优良机械柔性使得探测器能够适应不同形状的目标,解决了传统刚性探测器在非平面物体成像中的失真和不均匀性问题。此外,机器学习后处理的引入进一步提高了图像信噪比,彰显了新型计算技术与传感器技术的结合前景。这表明,未来柔性电子和智能成像技术的发展,将越来越依赖于材料的创新和先进算法的融合,推动各领域更加精准、高效的成像与监测应用。Kim, B.J., Shao, B., Hoang, A.T. et al. A flexible active-matrix X-ray detector with a backplane based on two-dimensional materials. Nat Electron (2025). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01317-7🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务,累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果,计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。👏👏👏