Viện Công nghệ tiên tiến Thâm Quyến (SIAT) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, phối hợp với các nhà nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Trung ương Trung Quốc đã phát triển máy dò bán dẫn oxit kim loại tia X perovskite (CMOS) hiệu suất cao để chụp ảnh y tế. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications ngày 21/2/2024. Hình ảnh X-quang rất quan trọng trong việc chẩn đoán và điều trị các bệnh tim mạch và ung thư. Máy dò tia X chuyển đổi trực tiếp làm bằng vật liệu bán dẫn thể hiện độ phân giải không gian và thời gian vượt trội ở liều bức xạ thấp hơn so với máy dò chuyển đổi gián tiếp làm bằng vật liệu nhấp nháy. Tuy nhiên, các vật liệu bán dẫn hiện có như Si, a-Se và CdZnTe/CdTe không lý tưởng cho việc chụp ảnh tia X thông thường do hiệu suất hấp thụ tia X thấp hoặc giá thành cao.
Máy dò tia X hiệu suất cao với độ phân giải không gian và thời gian cực cao rất quan trọng đối với hình ảnh y tế. CMOS sử dụng CsPbBr3 in trên màn hình, có tích số di động là 5,2 × 10−4 cm2/V và độ nhạy tia X là 1,6 × 104 µC/Gy.cm2. Các mẫu lớn hơn 5 cmx10 cm có thể được chụp ảnh nhanh bằng cách quét máy dò này với tốc độ 300 khung hình mỗi giây dọc theo hướng dọc và ngang. So với máy dò tia X chuyển đổi gián tiếp truyền thống, CMOS perovskite cung cấp khả năng chụp ảnh X-quang có độ phân giải không gian cao (5,0 lp/ mm) ở liều bức xạ thấp (260 nGy). Hơn nữa, hình ảnh chụp cắt lớp 3D của mẫu vật sinh học cũng được tái tạo tốt. Những kết quả này nêu bật tiềm năng của CMOS perovskite trong chụp ảnh X-quang và CT y sinh liều lượng thấp, độ phân giải cao, diện tích lớn, cũng như trong kiểm tra không phá hủy và an ninh.
Máy dò CMOS tia X chuyển đổi trực tiếp dựa trên CsPbBr3 vô cơ (Nguồn: SIAT / Yongshuai Ge)
Kể từ khi được phát hiện vào năm 1895, tia X đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng hình ảnh y tế như chẩn đoán và điều trị các bệnh về tim mạch, phổi và ung thư. Thông thường, để cung cấp hình ảnh chất lượng cao, máy dò tia X với các tính năng độc đáo như độ phân giải không gian cao, tốc độ chụp ảnh nhanh và hiệu suất chụp ảnh liều thấp. So với các máy dò tia X chuyển đổi gián tiếp thông thường được làm bằng vật liệu nhấp nháy, các máy dò chuyển đổi trực tiếp được làm bằng vật liệu bán dẫn mang lại hiệu suất chụp ảnh tia X vượt trội. Tuy nhiên, chất bán dẫn được sử dụng trong các máy dò tia X chuyển đổi trực tiếp thương mại hiện nay chưa đáp ứng được các mục đích chụp ảnh tia X y tế thông thường. Ví dụ, selen vô định hình (-Se)5 chỉ hoạt động ở dải năng lượng thấp ( <50 keV) do công suất dừng hạn chế (Z = 34). Các tinh thể cadmium kẽm Telluride (CdZnTe) hoặc cadmium Telluride (CdTe) đã chứng tỏ những tiến bộ của nó trong việc phân giải các photon tia X năng lượng cao ( >140 keV), nhưng khó khăn trong việc phát triển các tinh thể CdZnTe/CdTe quy mô lớn, không phù hợp phát triển sản xuất máy dò tia X diện rộng. Ngoài ra, chi phí cao cũng hạn chế khả năng phổ biến rộng rãi của chúng trong các ứng dụng chụp ảnh X-quang y tế.
Gần đây, perovskites halogenua chì có khả năng hấp thụ tia X cao, độ linh động của chất mang điện tích lớn μ và tuổi thọ chất mang dài τ thể hiện khả năng tiềm năng trong việc phát hiện tia X có độ nhạy cực cao. Ví dụ như, khả năng chụp ảnh tia X với màng CH3NH3PbI3 dày trên mảng bóng bán dẫn màng mỏng (TFT) đã được xác nhận năm 2017. Việc tích hợp màng perovskite với mảng pixel và giảm dòng tối vẫn còn nhiều thách thức. Năm 2021, Deumel và cộng sự đã phát triển quy trình chế tạo máy dò tia X với CH3NH3PbI3 thiêu kết trên mảng TFT bằng cách sử dụng cấu trúc lưới để bám dính cơ học vào màng perovskite dày. Để khai thác triệt để lợi ích của perovskites trong việc phát triển máy dò tia X chuyển đổi trực tiếp hiệu suất cao, về cơ bản, cần xem xét mảng pixel CMOS. Mảng CMOS chiếm ưu thế trong thị trường hình ảnh tiêu dùng và chuyên nghiệp nhờ khả năng khác biệt để chụp ảnh với độ phân giải cao, tốc độ đọc nhanh, độ nhạy cao và độ nhiễu thấp. Thông thường, kích thước pixel của CMOS có thể nhỏ hơn 5 μm. Ngoài ra, các mạch điện chuyên dụng được thiết kế và tích hợp vào các pixel CMOS để ngăn chặn dòng điện tối rò rỉ. Thông thường, phản hồi dòng điện tối của CMOS và TFT lần lượt là 200 và 2000, cho thấy rằng mảng CMOS có khả năng chống nhiễu vượt trội và mức tiêu thụ điện năng thấp hơn. Để đạt được mục tiêu này, mảng CMOS là giải pháp lý tưởng để phát triển máy dò tia X perovskite tiên tiến với độ phân giải không gian và thời gian chưa từng có.
Tuy nhiên, tính khả thi của việc kết hợp perovskite với mảng CMOS pixel tốc độ cao vẫn chưa được biết. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một máy dò tia X chuyển đổi trực tiếp được chế tạo bằng màng perovskite CsPbBr3 vô cơ dày 300 μm được in trên mảng pixel CMOS chuyên dụng. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng màng CsPbBr3 dày được in lụa có tích μτ cao, độ nhạy phát hiện tia X cao và giới hạn phát hiện liều thấp. Kết quả chụp ảnh tia X 2D thử nghiệm cho thấy máy dò CMOS perovskite được đề xuất có thể đạt được độ phân giải không gian rất cao (5,0 lp/mm, giới hạn phần cứng là 6,0 lp/mm) và hiệu suất chụp ảnh liều thấp (260 nGy). Hơn nữa, hình ảnh CT 3D cũng được xác nhận bằng máy dò được đề xuất ở tốc độ đọc tín hiệu nhanh 300 khung hình / giây.
Từ khóa: tia X; độ phân giải; chụp ảnh bức xạ;
– CMD&DND –
