一种钙钛矿各向异性增强的高分辨率伽马射线成像方法

摘要

本发明公开了一种钙钛矿各向异性增强的高分辨率伽马射线成像方法。通过工艺处理的方法调控钙钛矿单晶结构，使其横向的载流子迁移率降低，载流子寿命缩短。在γ射线探测成像过程中，光生载流子在纵向电场作用下，从顶电极向底电极输运，形成探测信号。光生载流子同时会受到边沿场作用，产生横向扩散。但是因为横向扩散的光生载流子迁移率‑寿命积变小，所以参与横向扩散的光生电子和空穴复合概率增大。大量的横向扩散光生电子与空穴在到达收集电极前被复合，因此降低了邻近像素的串扰电荷信号，最终提高了γ射线的成像空间分辨率。

说明书

技术领域

本发明属于一种高空间分辨率的伽马射线成像方法领域，尤其涉及一种钙钛矿各向异性增强的高分辨率伽马射线成像方法。

背景技术

γ射线探测在核医学、航空航天，以及工业无损检测等领域具有重要的应用，人们一直致力发展高性能的γ射线探测器。由于γ射线光子能量很高，穿透能力很强，γ射线探测活性材料需要具有较高的平均原子序数(Z)和厚度以充分吸收γ光子。通常人们选择高纯度的半导体单晶作为辐射探测活性材料，在70年代人们提出采用高纯度Ge(HPGe)进行γ射线探测，获得很好的能量分辨率。但是由于它的带隙很小，所以需要液氮冷却。为了在室温下探测γ射线，人们利用化合物半导体晶体作为γ射线探测的活性材料，如CdTe,Cd

因为γ射线探测需要很厚的光子吸收体，所以γ射线成像的空间分辨率低于较低能量光子(如可见光、X射线等)成像分辨率。γ射线成像过程中空间分辨率的降低如图1所示。在图1(a)的间接探测中，γ射线光子21入射到闪烁体22产生闪烁荧光23(可见光)，再通过常规的可见光探测器24将闪烁荧光转换为电信号。但是由于可见光的散射现象，闪烁荧光23在闪烁体22内出现散射，导致荧光光斑的扩展25，最后使间接探测γ射线成像空间分辨率降低。在图1(b)所示的γ射线直接探测结构中，探测活性材料层26吸收γ射线光子21，将其直接转换为光生载流子15(电子/空穴对)。在公共电极4和像素电极5之间设置偏置光生载流子15受外电场作用向上下电极漂移，形成探测电信号。虽然γ射线直接探测避免了闪烁荧光的散射效应，但是由于上电极和下电极之间存在边沿电场，光生载流子15在边沿场作用下会产生横向扩散，导致相邻像素电极之间的电荷串扰27，最后降低γ射线的成像分辨率。

钙钛矿材料具有优秀的光电性能，它已经在光伏太阳能电池、UV/Vis/NIR光电探测，以及发光二极管等领域显现出非常好的应用前景。钙钛矿单晶具有带隙较宽(～3.1ev)，含有铅和卤素等重元素，载流子迁移率高达600cm

本发明利用钙钛矿材料的结构特点以及溶液法制备工艺的优势，提出一种直接探测的高分辨率γ射线成像方法，它可以有效地克服电极结构抑制边沿场不灵敏的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种钙钛矿各向异性增强的高分辨率伽马射线成像方法,以解决上述的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

一种钙钛矿各向异性增强的高分辨率伽马射线成像方法，包括以下步骤：

步骤一、采用工艺方法对钙钛矿晶体进行处理，使得钙钛矿晶体的结构及电学性能出现各向异性；

步骤二、利用钙钛矿晶体的各向异性，使伽马射线光子所产生的光生载流子在纵向快速地传输，形成有效的探测电信号，光生载流子在横向传输速度慢，载流子寿命短，降低了相邻电极之间的横向电荷串扰，提高伽马射线成像分辨率。

进一步的，所述的钙钛矿晶体厚度大于1厘米，并被用作伽马光子的吸收和转换层，利用钙钛矿晶体对伽马光子的吸收系数，以及钙钛矿晶体的载流子输运性能提高伽马射线探测灵敏度。

进一步的，所述工艺方法是模板法，包括以下步骤：

步骤1、在真空冷冻干燥的实验装置中采用变温法或者逆温法生长钙钛矿晶体；

步骤2、通过控制生长系统的压强，在钙钛矿晶体中形成贯穿的空心孔道；

步骤3、将步骤2中的钙钛矿晶体取出，在常温常压下浸置于前驱液中，通过变温法或者逆温法第二次生长钙钛矿晶体，将第二次生长的钙钛矿晶体填充第一次生长模版的空心孔道，第一次生长的模版和第二次生长的钙钛矿晶柱共同构成各向异性钙钛矿晶体。

进一步的，所述工艺方法是定向辐照法，包括以下步骤：

步骤1、采用常规的逆温或者变温法制备超厚的钙钛矿单晶，在钙钛矿单晶的顶端设置重金属制备的掩膜版；

步骤2、用高剂量率的辐射线透过掩膜版对钙钛矿晶体进行处理。

进一步的，所述工艺方法是异质外延方法，在溶液生长晶体过程中，向前驱液中添加异质金属盐，在晶体中形成一些异质外延通道。

本发明的一种钙钛矿各向异性增强的高分辨率伽马射线成像方法具有以下优点：

1、本发明利用钙钛矿晶体的各向异性，通过减小横向载流子的迁移率和缩短载流子寿命，增大横向扩散电子/空穴对的复合概率，进而减小像素电极之间的信号串扰。该方案克服了常规γ射线探测结构中，端面电极结构变化对边沿场调控不灵敏，进而对相邻像素电极串扰抑制不足的问题。另外，随着钙钛矿晶体厚度的增大，各项异性电学性能对横向扩散载流子信号串扰的抑制作用更加增强，而常规的γ射线探测结构则与之相反。

2、本发明提出的技术方案中，钙钛矿晶体的纵向载流子传输性能基本维持不变。因此，在减小横向载流子扩散引起的信号串扰同时，γ射线探测的其它性能，如探测灵敏度、能量分辨率，以及响应速度等可以基本维持不变。

附图说明

图1为常规的γ射线探测结构示意图；

图1(a)为间接探测结构中荧光散射示意图；

图1(b)为直接探测结构中边沿场引起的载流子横向扩散示意图；

图2(a)为在真空冷冻干燥环境下生长缺陷密度较高的钙钛矿晶体，并形成中空的孔道示意图；

图2(b)为常压下第二次生长缺陷密度低的钙钛矿晶体，沿中空孔道形成钙钛矿晶柱示意图；

图2(c)为设置顶电极和像素化底电极，构成γ射线成像器件示意图；

图3(a)为通过重金属掩膜版对钙钛矿晶体施加高剂量率γ射线辐照示意图；

图3(b)为经过高剂量率γ射线辐照后，钙钛矿晶体晶格畸变，增强了各向异性示意图；

图4为通过抑制外延的方法增强钙钛矿晶体的各向异性示意图；

图5为常规γ射线探测成像结构中载流子横向扩散引起的空间分辨率降低示意图；

图6为本发明通过各向异性钙钛矿晶体增大横向扩散光生载流子复合的原理示意图。

图中标记说明：1、第一钙钛矿晶体；2、空心孔道；3、钙钛矿晶柱；4、公共电极；5、像素电极；6、辐射线；7、掩膜版；8、第二钙钛矿晶体；9、晶格畸变；10、第三钙钛矿晶体；11、异质外延通道；12、伽马光子；13、第四钙钛矿晶体；14、边沿电场；15、光生载流子；16、行驱动电路；17、模数转换器；18、输入通道；19、输出通道；20、第五钙钛矿晶体；21、γ射线光子；22、闪烁体；23、闪烁荧光；24；可见光探测器；25、荧光光斑的扩展；26、活性材料层；27、电荷串扰。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种钙钛矿各向异性增强的高分辨率伽马射线成像方法做进一步详细的描述。

本发明首先制备各向异性的钙钛矿晶体。这种各向异性钙钛矿晶体的纵向载流子迁移率大，载流子寿命长；钙钛矿晶体的横向载流子迁移率小，载流子寿命短。在各向异性钙钛矿晶体的上下端面通过蒸镀等方法分别沉积顶电极和底电极，顶电极和底电极施加偏置电压，形成偏置电场。当γ光子入射后，γ光子被各向异性钙钛矿晶体吸收，产生光生生载流子(电子/空穴对)。光生电子/空穴对在偏置电场作用下形成漂移运动，由于各向异性钙钛矿晶体的纵向载流子迁移率高，载流子寿命长，因此在纵向光生载流子产生复合的概率小，绝大部分光生载流子都可以被电极所接收，形成探测电信号。除了纵向漂移运动外，光生载流子受到边沿电场作用，还将产生横向扩散。因为各向异性钙钛矿晶体的横向载流子迁移率低、寿命短，因此横向扩散的光生电子和光生空穴产生复合的概率高，邻近电极接收到的串扰光生载流子数量减少，因此可以提高γ射线成像的分辨率。

第一种实施例采用模版法制备各向异性钙钛矿晶体。如图2(a)所示,首先在真空冷冻干燥的实验装置中采用变温法或者逆温法生长第一钙钛矿晶体1。由于低气压下钙钛矿前驱液的饱和浓度比较低，因此第一钙钛矿晶体1的生长速率较快。但是生长出的第一钙钛矿晶体1缺陷较多，载流子迁移率小，载流子寿命短。通过控制生长系统的压强，可以在第一钙钛矿晶体1中形成很多贯穿的空心孔道2。将前述的第一钙钛矿晶体1取出，在常温常压下浸置于前驱液中，通过变温法或者逆温法第二次生长第一钙钛矿晶体1，如图2(b)所示。第一钙钛矿晶体1将填充第一次生长模版的空心孔道2形成钙钛矿晶柱3。由于第二次在常压下生长第一钙钛矿晶体1，所以第一钙钛矿晶体1的生长速率较低，但缺陷较少。因此钙钛矿晶柱3的载流子迁移率高，载流子寿命长。最后如图2(c)所示，由载流子迁移率低的第一钙钛矿晶体1和载流子迁移率高的钙钛矿晶柱3构成各向异性的光子吸收体，在各向异性光子吸收体的顶面和底面通过蒸镀的方法沉积公共电极3和像素电极4，形成钙钛矿晶体γ射线成像器件。

第二实施例采用定向辐照法制备各向异性钙钛矿晶体。如图3(a)所示。首先采用常规的逆温或者变温法制备超厚的第二钙钛矿晶体8，该第二钙钛矿晶体8为各向同性晶体。然后在第二钙钛矿晶体8的顶端设置重金属制备的掩膜版7，再次则用高剂量率的辐射线6(如γ射线)透过掩膜版7对第二钙钛矿晶体8进行后处理。如图3(b)所示，第二钙钛矿晶体8在高剂量率的辐射线6作用下会产生晶格畸变9，甚至出现位错、断裂等缺陷，从而增强了第二钙钛矿晶体8的各向异性。

第三实施例采用异质外延方法制备各向异性钙钛矿晶体，如图4所示。在溶液生长第三钙钛矿晶体10过程中，向前驱液中添加适量的异质金属盐，在晶体中形成一些异质外延通道11。我们可以用这种方法在CdSe晶体中形成CdS通道、GaN晶体中形成AlN通道，MAPbBr

常规的钙钛矿伽马射线成像器件结构如图5所示，它采用各向同性的第四钙钛矿晶体13作为伽马射线光子吸收体，在光子吸收体的顶面通过蒸发或者溅射等方法制备公共电极4，在光子吸收体的底面用蒸发或者溅射方法制备阵列像素电极5，并与薄膜晶体管或者场效应管构成的阵列读出电路相连接。在其周边设置行驱动电路16和模数转换器17，通过输入通道18输入控制信号，利用输出通道19输出伽马射线影像数据。由于公共电极4和像素电极5的结构特点，在探测单元中形成边沿电场14。当高能伽马光子12入射后，在钙钛矿晶体中产生光生载流子15(电子/空穴对)。光生载流子15在边沿电场14作用下，产生载流子的横向扩散，从而造成伽马射线成像分辨率的下降。

图6是本发明提出的高分辨率伽马射线成像器件，与图5的常规成像器件相比较，它采用各向异性第五钙钛矿晶体20取代各向同性钙钛矿晶体。虽然仍然存在边沿电场14，但是由于载流子横向漂移的载流子迁移率低、寿命短，横向扩散的光生载流子15(电子/空穴对)在到达收集电极之前就被复合，不会产生串扰电信号。因此本发明减小了不同像素之间的信号串扰，提高了成像分辨率。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。