新型混合薄膜技术或将大幅降低X射线探测器成本

在医学、安全、核安全和科学研究中，X射线是查看隐藏事物的基本工具。用于制造X射线探测器的材料通常是刚性的、昂贵的，而且生产过程繁琐。但由FSU化学与生物化学系教授马碧武领导的新研究正在创造低成本、可适应的材料，这可能会彻底改变X射线探测的技术。

在两项分别进行的研究中，马教授的团队为X射线成像中的长期挑战提供了解决方案。在第一项研究中，发表在Small上，团队开发了一种新材料，在暴露于X射线时会产生电信号，从而实现直接的X射线探测。在第二项研究中，发表在Angewandte Chemie上，研究人员利用相关材料制造低成本的闪烁体，这些材料在暴露于X射线或其他高能辐射时会发出可见光。

“我们传统上依赖无机材料进行X射线探测，但它们通常是刚性的、制造成本高且能耗大，而且存在许多局限性，”马教授说。“我们一直在努力开发一种新型材料，可以解决现有材料面临的问题和挑战。”

在这些研究中，研究人员研发了一种由有机和无机成分组成的新型混合材料，称为有机金属卤化物复合物（OMHCs）和有机金属卤化物混合物（OMHHs）。通过调整这些材料在分子水平上的结构，团队实现了不同形式的X射线探测。这项研究标志着我们在开发低成本、可扩展和灵活的X射线探测器技术方面迈出了重要一步，能够克服传统无机系统的关键局限性。

市面上销售的直接X射线探测器是用无机半导体制造的，这些半导体由非碳材料制成，如碲化镉（CdTe）和锌镉碲（CdZnTe）。这些材料含有有毒元素，而且需要高能耗的加工过程，使其成本昂贵。

在第一项研究中，团队首次展示了将OMHCs作为直接X射线探测器材料的首次应用。这些材料由碳基半导体分子与金属卤化物结合而成，金属卤化物是由金属和卤素元素组成的化合物。团队开发的特定OMHC化合物是由锌、溴和一种碳基分子构成的，使得在单一材料中实现高效的X射线吸收和电子传输成为可能。

研究人员采用了一种熔融加工方法，类似于熔化塑料并让其冷却成所需形状，将OMHC分子晶体转化为无定形的玻璃状材料，能够模制成即用的形状。他们利用这些材料制造了将入射X射线转换为电信号的直接X射线探测器。

结果

所得到的探测器即使在低X射线曝光水平下也能产生强烈的电响应，使其比传统材料制造的探测器更有效。团队还评估了使用新材料制造的探测器的长期稳定性。在常温条件下存放探测器四个月后，测试显示它们保留了98%的初始性能。

OMHCs还提供了额外的实际优势。与目前市面上可用的X射线探测器材料相比，它们的生产成本更低，因为可以从丰富且无毒的原材料中合成。此外，简单的熔融加工方法也使得设备制造比现有方法更容易和更具可扩展性。

马说：“这其实是这些OMHC材料第一次被用来制造直接X射线探测器。它们可以以低成本的方式制备，同时提供高性能。从可持续发展的角度来看，这种新材料相比传统材料有很大的优势。”

明亮、快速、灵活的闪烁体：织物上的X射线组件

在第二项研究中，团队开发了一种新版本的基于OMHH的闪烁体，具有高光产率和快速响应，这意味着它们在接触X射线时会发出强烈的可见光，并几乎瞬间作出反应。OMHH与OMHC相似，但不同类型的化学键将有机成分和金属卤化物结合成一种材料。

这项工作是团队自2020年以来在这一领域多年努力的成果，当时他们展示了首个环保的OMHH闪烁体。早期版本的OMHH闪烁体依赖于缓慢的晶体生长过程，这限制了它们的尺寸和灵活性，光发射也相对较慢。这一最新一代的OMHH闪烁体通过消除晶体生长的需要并显著加快光响应，克服了这两个挑战。

结果

团队通过精心设计分子结构，创造了一种新的非晶OMHH材料，响应速度达到了纳秒级。与早期版本的OMHH闪烁体不同，后者的光发射来自金属卤化物中心并持续较长时间，新材料的光发射来自材料的有机成分，展现出更快的响应，同时保持优良的X射线吸收和高光输出。

快速响应的闪烁体在先进的辐射探测和成像中尤为重要。它们的快速光发射能够提供更清晰的图像、提高时间精度并减少信号重叠，这对于医疗成像、安全筛查和实时辐射监测等应用至关重要。

这种材料的非晶特性使其易于加工成薄膜和涂层。通过这种方法，团队创造了基于织物的X射线闪烁体，可以集成到服装中，实现可穿戴和便携式辐射探测器。这些灵活的闪烁织物标志着传统刚性探测器的一次重大突破，为舒适、适应性强且低成本的X射线探测技术开辟了新的可能。

为什么这很重要

虽然这两项研究关注于不同的 X 射线探测技术，但都采用了类似的材料设计策略，以应对开发下一代 X 射线探测技术的主要挑战。

FSU 已开始申请专利，以商业化 Ma 组开发的技术，并在实际环境中进行测试。这些进展为下一代 X 射线探测技术提供了既令人兴奋又具有成本效益的解决方案。这些材料的商业化可能会惠及许多领域，包括医学成像、安全扫描、核安全等。

除了团队的内部努力外，该团队还与研究机构和工业合作伙伴合作，探索这些材料的多种应用。这些合作包括与代尔夫特理工大学（TU Delft）合作进行光子计数计算机断层扫描，与安特卫普大学进行放射治疗用荧光剂量计的合作，与布法罗大学进行像素化 X 射线成像仪的合作，以及与 Qrona Technologies 进行 X 射线显微技术的合作。

“这些材料非常独特，都是在 FSU 开发的，”Ma 说。“我们相信我们的材料和设备具有超越现有技术的巨大潜力，并能解决该领域的关键挑战。”

更多信息： Oluwadara Joshua Olasupo 等，用于高效 X 射线探测的半导体有机金属卤化物复合玻璃，Small (2025)。 DOI: 10.1002/smll.202512181

Tarannuma Ferdous Manny 等，这种无定形零维有机金属卤化物混合闪烁材料具有高光产率和快速响应，Angewandte Chemie (2025)。 DOI: 10.1002/ange.202525242