Màng lai mới giúp giảm chi phí cho các thiết bị dò tia X

Trong lịch sử hơn một thế kỷ của ngành vật lý bức xạ, việc phát hiện và chuyển đổi tia X đã trải qua nhiều giai đoạn, từ các tấm phim quang học đơn giản đến các thiết bị dò kỹ thuật số phức tạp. Hiện nay, công nghệ phát hiện tia X trực tiếp chủ yếu dựa vào các vật liệu bán dẫn vô cơ như silicon (Si), selen vô định hình (a-Se), cadmium telluride (CdTe) và cadmium zinc telluride (CZT). Mặc dù các vật liệu này có hiệu suất cao trong chẩn đoán hình ảnh y tế và kiểm tra công nghiệp, chúng vẫn tồn tại những rào cản kinh tế và kỹ thuật đáng kể. Quy trình chế tạo các tinh thể đơn lẻ có độ tinh khiết cao đòi hỏi nhiệt độ lớn, môi trường chân không và quy trình tăng tinh thể kéo dài, dẫn đến chi phí sản xuất cực kỳ đắt đỏ. Sự ra đời của các loại màng lai (hybrid membranes), kết hợp giữa các hợp chất hữu cơ linh hoạt và các thành phần vô cơ có số nguyên tử (Z) cao, đang định nghĩa lại giới hạn của công nghệ này. Các màng lai mới không chỉ hứa hẹn hiệu suất vượt trội nhờ sự kết hợp giữa khả năng hấp thụ tia X của các nguyên tố nặng và tính chất điện học ưu việt của các phân tử hữu cơ, mà còn mở ra khả năng sản xuất với chi phí thấp thông qua các kỹ thuật xử lý dung dịch (solution-processed techniques).

Cơ sở vật lý của quá trình chuyển đổi tia X trực tiếp trong cấu trúc màng lai

Hiểu rõ cơ chế tương tác giữa bức xạ ion hóa và vật chất là chìa khóa để thiết kế các màng lai hiệu quả. Trong các thiết bị dò trực tiếp, photon tia X tương tác với vật liệu hấp thụ để tạo ra các cặp electron-lỗ trống (electron-hole pairs). Hiệu quả của quá trình này phụ thuộc vào hệ số hấp thụ tia X của vật liệu, thường được biểu diễn qua công thức liên quan đến số nguyên tử. Các vật liệu hữu cơ thông thường có số nguyên tử thấp, dẫn đến khả năng hấp thụ tia X kém. Tuy nhiên, bằng cách nhúng các hạt nano có Z cao như bismuth oxide hoặc các hạt nano perovskite vào ma trận polymer, các màng lai đạt được khả năng dừng (stopping power) tia X cực mạnh trong khi vẫn duy trì được tính linh hoạt cơ học.

Thông số vật lý	Silicon (Si)	Selen vô định hình (a-Se)	Cadmium Telluride (CdTe)	Màng lai Perovskite/Polymer
Số nguyên tử trung bình	14	34	48-52	Bi: 83 / Pb: 82
Năng lượng tạo cặp electron-lỗ trống	3.6 eV	50 eV	4.4 eV	2 – 5 eV
Chi phí chế tạo trên mỗi đơn vị diện tích	Rất cao	Trung bình	Rất cao	Thấp

Khi một photon tia X đi vào màng lai, nó có khả năng cao va chạm với các nguyên tố nặng (Bi, Pb, I), giải phóng các electron quang điện và electron Auger. Những electron năng lượng cao này sau đó ion hóa ma trận xung quanh, tạo ra một đám mây các cặp electron-lỗ trống. Trong các cấu trúc màng lai hiện đại, việc sử dụng các dị chất khối (bulk heterojunction – BHJ) hữu cơ giúp tối ưu hóa việc tách và vận chuyển các hạt tải điện này đến các điện cực dưới tác dụng của một điện áp phân cực thấp, từ đó tạo ra tín hiệu điện có thể đo đạc được.

Ảnh chụp vật liệu OHMM do các nhà nghiên cứu phát triển trong một nghiên cứu, được sử dụng để in chữ viết tắt FSU lên vải. Hình ảnh này cho thấy ánh sáng mà các chất phát quang tia X phát ra khi tiếp xúc với tia X (Nguồn ảnh: Biwu Ma).

Perovskite halide hữu cơ-vô cơ (OIHPs) nổi lên như một trong những vật liệu triển vọng nhất cho các thiết bị dò tia X thế hệ mới. Với cấu trúc tinh thể ABX₃, trong đó A là cation hữu cơ hoặc vô cơ, B là kim loại và X là halide, perovskite sở hữu những đặc tính quang điện mà hiếm vật liệu nào có được. Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh chiều kích của cấu trúc perovskite (từ 3D đến 0D) có tác động trực tiếp đến độ ổn định và chi phí vận hành của thiết bị dò:

• Perovskite 3D: cho phép thu thập điện tích hiệu quả ngay cả ở lớp màng dày hàng trăm micromet. Tuy nhiên, chúng thường gặp vấn đề về di cư ion dưới điện trường cao, gây ra dòng tối không ổn định.
• Perovskite 2D và Dion-Jacobson (DJ): Việc sử dụng các phối tử hữu cơ cồng kềnh để ngăn cách các lớp vô cơ giúp ức chế đáng kể hiện tượng di cư ion và cải thiện khả năng kháng ẩm. Đặc biệt, cấu trúc Dion-Jacobson sử dụng các diamine hai đầu để liên kết các lớp, tạo ra một cấu trúc cứng cáp và ổn định hơn nhiều so với cấu trúc Ruddlesden-Popper (RP) truyền thống chỉ dựa trên lực Van der Waals yếu.
• Perovskite 0D: Các cụm octahedra cô lập trong ma trận hữu cơ mang lại giới hạn phát hiện (LoD) cực thấp nhờ việc giảm thiểu dòng rò, mặc dù độ linh động hạt tải điện thấp hơn.

Độ nhạy và giới hạn phát hiện kỷ lục

Các màng lai perovskite đã chứng minh độ nhạy vượt xa các thiết bị thương mại dựa trên a-Se. Trong khi a-Se có độ nhạy điển hình khoảng 20μC/Gy.cm², các hệ thống perovskite đa tinh thể đã đạt mức 10⁴ đến 10⁶. Khả năng đạt được độ nhạy cao ở liều lượng thấp là yếu tố cốt lõi giúp giảm chi phí. Trong y tế, điều này cho phép giảm liều lượng tia X cho bệnh nhân nhưng vẫn đảm bảo chất lượng hình ảnh, đồng thời kéo dài tuổi thọ cho bóng phát tia X (một linh kiện tiêu hao có giá từ 8.000 đến 15.000 USD).

Bismuth và phức hợp hữu cơ-kim loại

Mặc dù chì mang lại hiệu suất cao, nhưng tính độc hại của nó là một rào cản lớn đối với việc thương mại hóa rộng rãi, đặc biệt là trong các ứng dụng đeo trên người hoặc thiết bị cầm tay. Các loại màng lai mới đang hướng tới việc thay thế chì bằng các nguyên tố an toàn hơn như Bismuth (Bi), Tin (Sn) và Zinc (Zn). Bismuth có số nguyên tử Z = 83 (cao hơn chì Z = 82), mật độ lớn và đặc biệt là không độc hại. Các vật liệu như Bi₈I₃₀ đã được chứng minh khả năng phát hiện tia X với độ nhạy cao hơn hai bậc so với a-Se và CZT. Quy trình chế tạo các màng này có thể được thực hiện thông qua phương pháp nghiền bi (ball milling) – một quy trình cơ hóa học khô, không cần dung môi độc hại và rất dễ mở rộng quy mô công nghiệp. Việc loại bỏ các dung môi hữu cơ đắt tiền và quy trình xử lý chất thải phức tạp giúp giảm giá thành sản xuất màng hấp thụ xuống mức tối thiểu.

Phức hợp hữu cơ-kim loại (OMHC) và thủy tinh bán dẫn

Một hướng đi đột phá khác là phát triển các phức hợp hữu cơ-kim loại dựa trên kẽm (Zn) và brom (Br). Nhóm nghiên cứu tại Đại học Bang Florida đã phát triển các vật liệu OMHC có thể được chế tạo bằng phương pháp nóng chảy (melt-processing), tương tự như cách ép nhựa. Các tinh thể phân tử được biến đổi thành các vật liệu giống như thủy tinh, có thể đúc thành bất kỳ hình dạng nào. Những màng mỏng thủy tinh OMHC này không chỉ rẻ tiền mà còn cực kỳ ổn định, duy trì 98% hiệu suất sau 4 tháng bảo quản trong điều kiện thường. Tính chất vô định hình của chúng giúp loại bỏ các ranh giới hạt (grain boundaries), vốn là nguồn gốc của các bẫy điện tích và dòng tối trong các màng đa tinh thể truyền thống. Giá trị cốt lõi của màng lai nằm ở khả năng tương thích với các kỹ thuật sản xuất diện tích lớn, năng suất cao. Các phương pháp chế tạo truyền thống dựa trên sự thăng hoa chân không hoặc tăng trưởng tinh thể Bridgman không chỉ tốn năng lượng mà còn có tỷ lệ lãng phí vật liệu cao.

Hình ảnh loại thủy tinh vô định hình do các nhà nghiên cứu trong nhóm của Ma tạo ra. Những lớp màng thủy tinh này mở ra những khả năng mới đầy hứa hẹn để sản xuất công nghệ phát hiện tia X rẻ hơn và hiệu quả hơn (Nguồn ảnh: Biwu Ma).

Việc sử dụng in phun (inkjet printing) cho phép lắng đọng vật liệu màng lai một cách chính xác lên các điểm ảnh của bảng mạch điều khiển TFT. Hệ thống in phun như X350 có thể vận hành với tốc độ 45 mét/phút, cung cấp khả năng sản xuất hàng loạt các tấm cảm biến với chi phí mực in cực thấp. Công nghệ cuộn sang cuộn (Roll-to-Roll – R2R) cho phép in các màng hấp thụ tia X lên các cuộn chất nền polymer linh hoạt dài hàng trăm mét. Đây là chìa khóa để tạo ra các thiết bị dò tia X giá rẻ cho các ứng dụng như kiểm tra không phá hủy (NDT) trong công nghiệp hoặc an ninh sân bay, nơi diện tích quét lớn là cần thiết. Dưới đây là bảng phân tích chi phí ước tính cho việc chế tạo lớp hấp thụ tia X bằng các phương pháp khác nhau, cho thấy ưu thế vượt trội của màng lai xử lý dung dịch.

Thành phần chi phí	Silicon/CZT (Tăng trưởng tinh thể)	a-Se (Lắng đọng chân không)	Màng lai (In phun/R2R)
Đầu tư thiết bị ban đầu (CAPEX)	Rất cao (> 2 triệu USD)	Cao (~ 1 triệu USD)	Thấp (< 200.000 USD)
Nhiệt độ vận hành	> 1000°C	200 – 300°C	< 100°C
Thời gian chế tạo cho 1 tấm cảm biến	Hàng tuần	Hàng giờ	Hàng phút
Tỷ lệ tận dụng nguyên liệu	< 30%	50 – 70%	> 95%
Giá thành dự kiến trên mỗi cm2	$10 – $50	$5 – $15	$0.5 – $2

Việc giảm chi phí từ mức hàng chục USD xuống mức dưới 1 USD cho mỗi centimet vuông lớp hấp thụ sẽ làm thay đổi hoàn toàn cấu trúc giá của các thiết bị Digital Radiography (DR). Hiện nay, một bảng dò trực tiếp a-Se có giá từ 80.000 đến 150.000 USD; với công nghệ màng lai, giá thành này có thể giảm xuống mức 20.000 – 30.000 USD, tương đương với các hệ thống gián tiếp giá rẻ nhưng với chất lượng hình ảnh vượt trội.

Đánh giá hiệu quả kinh tế và tác động đến thị trường thiết bị dò tia X (2025-2030)

Thị trường thiết bị dò tia X toàn cầu đang trải qua sự tăng trưởng mạnh mẽ, dự kiến đạt giá trị 5,39 tỷ USD vào năm 2025 và tiến tới 7,61 tỷ USD vào năm 2030. Động lực chính cho sự tăng trưởng này là nhu cầu về các thiết bị chẩn đoán hình ảnh di động, liều lượng thấp và giá thành rẻ tại các thị trường mới nổi. Tại các khu vực nông thôn hoặc các quốc gia đang phát triển, chi phí cho một phòng chụp X-quang kỹ thuật số đầy đủ có thể lên tới 150.000 – 300.000 USD, gấp ba lần so với hệ thống Computed Radiography (CR) cũ kỹ. Việc các bệnh viện nhỏ phải duy trì các tấm phosphor CR lỗi thời dẫn đến liều lượng bức xạ cao hơn cho bệnh nhân và quy trình làm việc chậm chạp. Các màng lai giá rẻ sẽ cho phép các cơ sở này nâng cấp trực tiếp lên kỹ thuật số trực tiếp (Direct DR), cắt giảm thời gian chụp từ 45 phút xuống dưới 10 phút, từ đó tăng hiệu suất phục vụ bệnh nhân và giảm chi phí vận hành hàng năm.

Sự linh hoạt cơ học của màng lai mở ra thị trường cho các thiết bị dò tia X đeo trên người và các thiết bị cầm tay siêu nhẹ. Nghiên cứu của Ma et al. về vải nhấp nháy là một minh chứng cho thấy thiết bị dò tia X có thể trở thành một phần của trang phục bảo hộ, giúp giám sát bức xạ tức thời cho những người làm việc trong môi trường rủi ro cao như nhà máy điện hạt nhân hoặc phòng can thiệp mạch.

Phân khúc thị trường	Công nghệ chủ đạo hiện nay	Tiềm năng của màng lai mới	CAGR dự báo (2025-2030)
Y tế (chẩn đoán)	a-Si (Gián tiếp)	Thay thế bằng Direct DR giá rẻ	6.8%
Chụp nhũ ảnh (Mammography)	a-Se (Trực tiếp)	Tăng độ phân giải, giảm liều lượng	7.5%
Di động/Cầm tay	CMOS/a-Si	Thiết bị siêu nhẹ, không dùng kính	6.6%
An ninh & Công nghiệp	Tinh thể nhấp nháy/a-Se	Thiết bị dò diện tích lớn, linh hoạt	6.0%

Mặc dù có ưu thế về chi phí và hiệu suất ban đầu, các thiết bị dựa trên màng lai, đặc biệt là perovskite, vẫn phải đối mặt với những nghi ngại về độ bền dài hạn trong điều kiện vận hành thực tế. Sự nhạy cảm với độ ẩm, oxy và sự phân hủy dưới tác động của chính bức xạ tia X là những rào cản cần vượt qua. Các nghiên cứu trong năm 2024 và 2025 đã tập trung vào việc cải thiện độ ổn định nội tại thay vì chỉ dựa vào các lớp bao bọc (encapsulation) đắt tiền.

• Sử dụng các tác nhân tạo khuôn (Templating agents): Việc sử dụng tinh bột hoặc các polymer sinh học làm khuôn cho quá trình phát triển màng perovskite đã giúp tạo ra các thiết bị giữ được độ nhạy ổn định trong hơn 600 ngày.
• Cation kỵ nước: Thay thế các proton N-acid dễ bị tấn công bởi nước bằng các nhóm alkyl kỵ nước trong cấu trúc perovskitoid 3D giúp màng giữ được pha tinh thể ngay cả sau 60 ngày ngâm trong nước.
• Màng tự cấp nguồn (Self-powered): Bằng cách khai thác tính sắt điện hoặc cấu trúc p-i-n không đối xứng, các thiết bị dò màng lai có thể hoạt động mà không cần điện áp phân cực. Điều này không chỉ giảm mức tiêu thụ điện năng mà còn ngăn chặn triệt để hiện tượng di cư ion gây ra bởi điện trường ngoài, từ đó kéo dài tuổi thọ thiết bị lên gấp nhiều lần.

Các màng lai dựa trên CdTe và Bismuth oxide đã chứng minh khả năng chống chịu bức xạ tích lũy rất tốt, vượt trội hơn hẳn so với các linh kiện silicon truyền thống vốn dễ bị hư hại cấu trúc do các khiếm khuyết do bức xạ gây ra. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng xạ trị, nơi thiết bị dò phải hoạt động trong các chùm tia có năng lượng lên tới hàng MV.

Kết luận

Sự phát triển của màng lai không dừng lại ở việc giảm chi phí. Chúng đang mở đường cho những công nghệ hình ảnh tiên tiến hơn như hình ảnh X-quang màu (colorized X-ray) hay còn gọi là hình ảnh phổ (spectral imaging). Bằng cách xếp chồng các lớp màng lai có khả năng hấp thụ các dải năng lượng khác nhau, các thiết bị dò có thể phân biệt được các loại vật liệu khác nhau dựa trên chữ ký hấp thụ của chúng. Điều này cho phép bác sĩ nhìn thấy sự khác biệt rõ rệt giữa mô mềm, khối u và các vi canxi hóa trong chụp nhũ ảnh với độ tương phản cực cao. Ngoài ra, việc tích hợp AI trực tiếp vào các mảng cảm biến màng lai sẽ giúp tự động hiệu chỉnh các lỗi điểm ảnh, tối ưu hóa thông số liều lượng theo thời gian thực dựa trên độ dày cơ thể bệnh nhân, từ đó tối đa hóa hiệu quả chẩn đoán trong khi vẫn giữ mức chi phí ở mức cực kỳ cạnh tranh.

Các màng lai thế hệ mới không chỉ giải quyết bài toán kinh tế mà còn nâng cao tiêu chuẩn an toàn bức xạ thông qua độ nhạy cực cao và khả năng vận hành ở liều lượng thấp. Đối với các nhà sản xuất thiết bị y tế, việc nắm bắt công nghệ màng lai perovskite và các cấu trúc nanocomposite sẽ là yếu tố quyết định để giành lợi thế cạnh tranh trong thập kỷ tới. Với sự phát triển của các kỹ thuật ổn định hóa và sản xuất cuộn sang cuộn, chúng ta đang tiến gần đến thời đại mà các thiết bị chẩn đoán hình ảnh chất lượng cao sẽ trở nên rẻ tiền, sẵn có và có thể tiếp cận được bởi mọi bệnh nhân, bất kể vị trí địa lý hay điều kiện kinh tế.

Từ khóa: tia X;

– CMD –