可持续太阳能电池材料在医学成像方面具有很高的前景

由牛津大学和剑桥大学联合领导的一组研究人员发现，太阳能电池材料 - 氧碘化铋(BiOI) - 能够检测X射线剂量率，比目前商业上使用的最佳性能探测器低250倍以上。这有可能使医学成像更安全，并为非侵入性诊断(如X射线视频技术)开辟新的机会。他们的研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

“我们已经将BiOI单晶开发成X射线探测器，其工作性能比目前最先进的医学成像技术好100倍以上，”牛津大学的Robert Hoye博士说。“BiOI是无毒的，在空气中稳定，并且可以经济高效地大规模种植。我们对BiOI的潜力感到非常兴奋，它使下一代非侵入性诊断更容易获得，更安全，更有效。

BiOI是一种无毒半导体，可吸收可见光，在空气中稳定。由于这些特性，在过去十年中，人们对这种材料的兴趣激增，用于太阳能电池(将阳光转化为清洁电)、光电化学电池(将阳光转化为燃料)和能量收集以驱动智能设备，以及许多其他应用。

BiOI含有两种重元素 - 铋和碘 - 使材料能够强烈吸收X射线。然而，以前将BiOI制成X射线探测器的尝试是无效的，因为制造的探测器的纳米晶体性质引起的缺陷导致能量损失很大。

研究人员开发了一种使用可扩展的基于蒸汽的方法生长高质量BiOI单晶的方法并获得了专利。这些晶体中的低缺陷密度导致了稳定和超低的暗电流，这对于大幅提高这种材料对X射线的灵敏度和检测极限至关重要。

“表明这些简单加工，低温生长，稳定的晶体可以为X射线检测提供如此高的灵敏度，这是非常了不起的，”剑桥材料科学与冶金系的Judith Driscoll教授说。“几年前，我们开始研究这种材料BiOI，我们发现它在一系列光电和传感应用中优于其他竞争材料，当毒性和性能一起考虑时。

研究人员组成了一个跨学科团队，以了解为什么BiOI作为X射线探测器如此有效。他们使用先进的光学技术来解析超过万亿分之一秒的过程，并将这些过程与模拟相结合，将这些过程与原子水平上发生的事情联系起来。

通过这项研究，研究小组揭示了电子耦合到晶格振动的不寻常方式。与其他卤化铋化合物不同，BiOI中的电子保持离域状态，这意味着电子可以在BiOI的晶格内轻松快速地移动。同时，不寻常的电子耦合与晶格振动导致不可逆的能量损失通道，即使材料没有缺陷，该通道仍然存在。

研究人员发现，这些损失可以通过冷却样品以减少热能来克服，或者通过施加电场从晶格中撕裂电子。后一种情况与X射线探测器的工作方式完美匹配。通过施加小电场，电子可以在毫米长的尺度上传输，从而可以通过吸收X射线有效地提取单晶中产生的电子。

“我们已经建立了一个电子和离子的微观量子力学模型，可以充分解释BiOI的显着光电特性，使其成为X射线检测的良好材料，”剑桥材料科学与冶金系的Bartomeu Monserrat博士说。“这为我们设计更多具有类似优势特性的材料提供了路线图。

这项工作为如何在卤化铋化合物中实现离域电荷载流子提供了重要的见解。研究人员现在正致力于将这些见解应用于设计具有与BiOI类似优势特性的材料，以及如何调整BiOI的成分以进一步改善其传输特性。他们还致力于通过设计增加BiOI检测器尺寸的途径，同时保留单晶中的卓越特性，将BiOI的独特优势带给社会。