近年來，X/γ射線的探測在醫(yī)學成像、劑量測量、輻射防護等領域已經(jīng)取得廣泛應用。鉛鹵鈣鈦礦作為一種新興的閃爍材料受到了廣泛關注。然而，其激子發(fā)光的斯托克斯位移較小，且存在嚴重的自吸收問題，大量激發(fā)光子無法被探測到，制約了該材料的探測性能和應用。為解決這一難題，研究人員進行了深入研究，取得了令人振奮的突破。

　　在以往的研究當中，研究人員嘗試采用限域激子發(fā)光和摻雜劑等策略來解決自吸收問題。然而，這些方法在抑制自吸收的同時，卻導致了發(fā)光壽命的延長。近日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院醫(yī)學成像科學與技術(shù)系統(tǒng)重點實驗室團隊和華中科技大學光電子器件與三維集成團隊在該領域共同合作，此次的最新研究發(fā)現(xiàn)，二維鈣鈦礦晶體中普遍存在的內(nèi)在應變現(xiàn)象，可以顯著減少自吸收效應，而不影響發(fā)光壽命。這一發(fā)現(xiàn)為高能γ射線探測和PET成像提供了全新的思路，這項研究成果于近期在Nature Communications雜志在線刊發(fā)。此論文題目為Self-wavelength Shifting in Two-dimensional Perovskite for Sensitive and Fast Gamma-ray Detection，論文第一作者為金童、柳正和羅家俊，牛廣達和薛堪豪為本文通訊作者。  

　　二維鈣鈦礦單晶和薄膜在以往的研究中已經(jīng)有不少有關應變效應的報道，但是其結(jié)構(gòu)起源等機理仍然不甚明了，而內(nèi)在應變?nèi)绾翁嵘硕S鈣鈦礦的性能效果也尚未得到詳細的研究。本工作研究了一組具有良好量子和介電限域效應的二維鈣鈦礦單晶。通過采用掠入射X射線衍射測量，研究人員發(fā)現(xiàn)該晶體樣品表面存在壓縮應變的現(xiàn)象。進一步的X射線光電子能譜分析和理論計算表明，這一壓縮應變的結(jié)構(gòu)起因源自表面胺基的缺失。瞬態(tài)光致發(fā)光光譜研究明確揭示了從表面到體相的快速能量轉(zhuǎn)移過程，為實現(xiàn)“自移波”和快速發(fā)光壽命奠定了基礎。  

　　基于這一發(fā)現(xiàn)，材料研究人員與醫(yī)學成像團隊展開了卓有成效的合作，成功將具有“自移波”特性的二維鈣鈦礦閃爍體應用于高能γ射線探測，首次實現(xiàn)了該閃爍體在正電子發(fā)射斷層掃描PET圖像的精確重建。這一研究不僅為γ射線快響應材料的探索提供了新的思路，還為新材料高時間分辨率PET探測器的發(fā)展提供了有力支持。此外，它也為無需依賴傳統(tǒng)斷層掃描重建的PET直接成像提供了有價值的研究方向。  

　　這一突破性的研究成果可能推動PET醫(yī)學成像和輻射治療領域的發(fā)展，為更精確、更高效的人類健康服務打開了新的可能性。  

　　本研究工作獲得了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金項目、深圳市基礎研究計劃等項目支持。  

圖1. 鈣鈦礦閃爍體發(fā)光性能總結(jié)和自移波示意圖

圖2. 二維鈣鈦礦的單晶X射線衍射圖、光致發(fā)光和輻射發(fā)光性能比較及二維鈣鈦礦表面與內(nèi)部之間的F？rster共振能量轉(zhuǎn)移過程

圖3 二維鈣鈦礦的γ射線性能測試與正電子發(fā)射計算機斷層掃描仿體成像結(jié)果

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