纳米晶PbWO4涂层BPW-34光电二极管的间接X射线感应特性受厚度的影响

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Influence of thickness on the indirect X-ray sensing nature of nanocrystalline PbWO 4 coated BPW-34 photodiodes

本研究采用纳米晶PbWO4涂层技术，在BPW-34光电二极管上构建了间接转换X射线传感器，通过不同厚度（31,47,254,400μm）的优化实验，发现47μm涂层在70keV X射线源下灵敏度达354nC(mGy cm3)?1，为低剂量（<10mGy）X射线检测提供了新方案。

　　

C. Siva | T. Prakash

纳米光电子实验室，国家纳米科学与纳米技术中心，马德拉斯大学，Guindy校区，金奈，600025，泰米尔纳德邦，印度

摘要

通过将纳米晶钨酸铅（PbWO₄）以四种不同的厚度涂覆在BPW-34光电二极管上，制备了一种用于低剂量（mGy）X射线的间接转换传感器，并对其性能进行了研究。由于PbWO₄具有较高的原子序数和密度，其优异的X射线阻滞能力（在70 keV时约为6.13 cm²/g）可以通过改变涂层厚度来优化。最佳厚度的纳米晶PbWO₄涂层能够吸收最多的入射X射线光子，并将其转换为可见光子，这些光子随后被光电二极管捕获。在本研究中，使用了一台工作在70 keV下的口腔X射线机作为低剂量（7.97 mGy）X射线曝光的源，观察到的光电流分别对应于31、47、254和400 μm的涂层厚度，分别为25、354、26.4和11 nC(mGy cm³)^?1。在所有厚度中，47 μm厚的涂层表现出最佳的灵敏度，这为其在低剂量X射线传感应用中的使用提供了可能性。

引言

近几十年来，由于其出色的化学和物理性质，金属钨酸盐被广泛应用于各种光学领域。其中，基于钨酸铅（PbWO₄）的材料近年来受到了广泛关注。PbWO₄存在两种不同的晶体结构：四方相和单斜相。在各种应用中，四方相被广泛使用，例如Rohit Saraf等人[1]报道了使用湿化学沉淀法合成的四方相（stolzite）PbWO₄对亚甲蓝、罗丹明B和甲基橙染料进行光催化降解的研究。S. Delice等人[2]利用Czochralski生长法制备了PbWO₄单晶，并研究了其在光电器件应用中的潜力，包括其线性和非线性光学性质。V. Babin等人[3]研究了PbWO₄单晶所展示的绿色发光现象的起源。通过用Mo⁶⁺、Cd²⁺和Sb⁵⁺对PbWO₄闪烁体进行三重掺杂，显著提高了光产额，达到85 phe/MeV，并产生了具有快速蓝光和中等速度绿光发射的晶体，进一步增强了其在正电子发射断层扫描（PET）应用中的潜力[4],[5],[6]。最近，Maryam Hosseinpour等人[7]开发了一种基于PbWO₄/聚苯乙烯复合膜的柔性且成本效益高的电离辐射传感器，该薄膜对²⁴¹Am和¹³⁷Cs辐射源表现出强烈的可见光发光和高灵敏度（约80%）。由于其高密度（8.28 g/cm³）和强大的衰减能力（在70 keV时为6.13 cm²/g），这种材料在辐射检测方面具有特别的前景。由于X射线在医学和牙科诊断中的广泛应用，与工业检测和国土安全相比，对更先进的X射线检测设备的需求越来越大。X射线检测方法主要有直接转换和间接转换两种类型：间接转换过程首先将X射线转换为可见光，然后再将其转换为电信号；而直接转换过程则直接将X射线光子转换为电子电荷。尽管全球范围内正在进行大量的X射线传感器研究，但针对低剂量（mGy）X射线的研究成果仍然很少。Karthieka等人[8]开发了基于微晶和纳米晶PbWO₄的直接转换X射线传感器，并研究了晶体尺寸对其在低剂量X射线曝光下性能的影响，他们分别在7.97 mGy的剂量下获得了0.40 nC(mGy cm³)^?1和9.80 nC(mGy cm³)^?1的灵敏度。由于纳米晶尺寸效应，纳米晶PbWO₄的灵敏度比微晶PbWO₄薄膜高出二十多倍。Clitenn等人[9]报道了Cs₂ZnBr₄作为间接转换X射线传感器的潜力，其最大灵敏度为78.17 nC(mGy cm³)^?1。然而，基于铯的卤化物在潮湿和富氧环境中的长期稳定性较差，因此不适用于实时应用。相比之下，PbWO₄是一种稳定的、非吸湿性的氧化物闪烁体，在X射线照射下会发出420至440 nm范围内的可见光，并具有快速的闪烁响应时间。这促使我们使用沉淀法制备纳米晶PbWO₄，并将其以不同厚度涂覆在商用BPW-34光电二极管上，从而研究其在低剂量X射线下的性能。

实验细节

实验步骤

纳米晶PbWO₄是使用化学沉淀法合成的，所用前体为分析纯度的钠钨酸盐二水合物（Na₂WO₄.2H₂O，99%）和硝酸铅（Pb(NO₃)₂，99%）。这两种前体均购自印度Sisco Research Laboratories (SRL)，按收到时的状态使用，无需进一步纯化。

在典型的合成过程中，3.31克硝酸铅和3.30克钠钨酸盐二水合物溶解在100毫升双蒸水中。

粉末XRD和拉曼分析

对PbWO₄粉末的X射线衍射图进行了Rietveld精修，结果如图1(a)所示。使用FullProf软件包中的Pseudo-Voigt函数，结合JCPDS（Joint Committee on Powder Diffraction Standards，卡片编号19–0708）文件对粉末XRD图进行了拟合。然后从Crystallography Open Database获取了晶体学信息文件（CIF），并从XRD仪器中获取了DAT格式的数据文件。

结论

总结来说，通过沉淀法制备了PbWO₄纳米晶体，并利用XRD、拉曼和TEM对其进行了表征。XRD图的Rietveld精修以及FW1/5 4/5M方法对高强度峰的分析分别揭示了该相的纯度和晶粒尺寸分布。通过将样品以四种不同的厚度涂覆在商用BPW-34硅光电二极管上，开发了一种间接转换X射线传感器。

CRediT作者贡献声明

C. Siva：撰写初稿、进行正式分析、数据管理。 T. Prakash：撰写、审稿与编辑、验证、项目监督、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢DST-FIST资助的X射线衍射设施（位于马德拉斯大学的国家纳米科学与纳米技术中心NCNSNT），为XRD测量提供了必要的设备。同时声明，这项实验研究得到了SERB（CRG）项目“低剂量口腔能量区域间接转换X射线传感器开发研究”的支持，该项目批准号为CRG/2022/004450，批准日期为2023年3月15日。我们对此表示衷心的感谢。