这篇Nature会发光，可柔了！

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分享： 2021/02/19 16:48:39

导读：福州大学杨黄浩、陈秋水联合新加坡国立刘小钢等使用一系列可溶液处理、掺杂镧系元素的纳米闪烁体实现了无平板，高分辨率，三维成像的超长寿命X射线捕获。该柔性X射线探测器能够产生比平板探测器更好的3D图像。

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1895年，威廉·伦琴（WilhelmRöntgen）发现了X射线，从而在医学和工业射线照相领域取得了许多重大进展。早期的射线照相技术将X射线穿过物体并在摄影胶片上捕获剩余光束的图像。

在1980年代初期，人们开发了计算机射线照相术，成像板设备取代了摄影胶片。但计算机射线照相具有若干缺点，例如低图像分辨率和高成本。

在1990年代中期，替代性的数字X射线成像技术得到了发展，由一层闪烁体（将X射线转换为光发射的材料）和一层高度像素化的光电晶体管组成平板X射线探测器，将X射线能量直接或间接地直接转换为电信号。但这些扁平的非柔性X射线探测器无法生成弯曲或不规则形状的3D对象的高分辨率图像。截至目前，对3D对象进行高分辨率X射线成像仍然是一项艰巨的挑战。

为此，福州大学杨黄浩、陈秋水联合新加坡国立刘小钢等使用一系列可溶液处理、掺杂镧系元素的纳米闪烁体实现了无平板，高分辨率，三维成像的超长寿命X射线捕获。该柔性X射线探测器能够产生比平板探测器更好的3D图像。

含镧系元素的纳米晶体可以将X射线辐照产生的激发电荷载流子存储在晶格缺陷中数周。这是由于晶格中的氟离子可以通过与X射线光子的碰撞而被置换。这会产生空位，而这些空位处的离子以及间隙中的氟化物离子通常不会被占用。空位与填隙配对，在Frenkel缺陷的晶格中产生不规则性。

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图1 掺杂镧系元素的持久发光纳米闪烁体的表征

通过缺陷形成和电子结构的量子力学模拟表明，Frenkel缺陷充当纳米晶体中载流子的陷阱，并且陷阱具有不同的深度，即，被俘获的载流子需要逃逸的能量大小有所不同。但是，在环境条件下，浅陷阱中载流子的能量可以缓慢逸出并迁移到晶格中的镧系离子。该过程与缺陷的自我修复同时发生。因此，由辐射触发的阴离子迁移到宿主晶格中而导致被俘获电子的缓慢跳跃可以诱导超过30天的持续辐射发光。这种持久性在实际应用上大有所为，因为与以前使用的荧光粉相比，它延长了潜像在被转换成电信号进行分析之前可以在检测器中存储的时间段。

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图2 掺杂镧系元素的纳米闪烁体中X射线能量俘获的机理研究

研究人员使用这些持久发光纳米晶体制作了用于高分辨率3D射线照相的柔性X射线探测器，并开发了一种称为X射线发光扩展成像（Xr-LEI）的新技术。

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图3 高分辨率Xr-LEI

探测器由一块硅酮聚合物组成，其中嵌入了纳米晶体（图4）。纸张被包裹在要成像的3D对象上，然后用X射线照射。电荷载流子被捕获在X射线穿过的检测器区域内的纳米晶体的Frenkel缺陷中，从而产生残留X射线束的潜像。然后将检测器移出并加热到80°C，随着被捕获的电荷载流子的能量被激发迁移为镧系元素离子，从而将潜像迅速转换为发光体。

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图4 弯曲物体的高分辨率X射线成像

通过将纳米晶体嵌入高度可拉伸的硅树脂中，作者获得了约25微米的分辨率。这远高于使用常规平板检测器可获得的分辨率（通常约为100微米）。而且该X射线发光扩展成像技术的光学存储时间超过15天。

Ou, X., Qin, X., Huang, B. et al. High-resolution X-ray luminescence extension imaging. Nature 590, 410–415 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03251-6

[来源：顶刊收割机]

标签：电子自旋晶体管纳米科技