Nature：钙钛矿做闪烁体，可见光区可调谐

闪烁体（scintillator）是什么？很多人可能没有听说过，但其实，它在我们的日常生活中并不罕见。我们常说的CT（计算机断层扫描）检查，其主要工作原理就是将X射线透过目标，到达位于光耦探测器前端的闪烁体，闪烁体将携带样品内部结构信息的X射线转换成可以被CCD图像传感器接收的可见光。

X射线探测示意图。图片来源：Nature

换句话说，闪烁体是可以吸收高能粒子（千电子伏，如X射线、γ射线等）并将其转换为低能光子（如可见光、紫外线等）的一类材料，因此可以用于高能粒子的检测。闪烁体有很多应用，包括医学成像、无损检测、安全检查、放射性防护、天体研究、地质勘探、核物理、高能物理研究等等。

闪烁体发光原理示意图。图片来源：Nature

闪烁体是X射线与成像探测器相互作用的关键元件。随着各领域对辐射探测材料的需求不断增加，对于闪烁体的研究也显得越来越重要。近日，新加坡国立大学刘小钢（点击查看介绍）课题组、西北工业大学黄维（点击查看介绍）院士、福州大学杨黄浩（点击查看介绍）教授课题组合作在Nature 上发表文章，报道了一类全无机钙钛矿纳米晶体应用于闪烁体，可以实现发射光谱在可见光区域调谐。

可见光区调谐有什么用呢？传统闪烁体的辐射发光光谱几乎是恒定的，并且呈现出宽的发射峰。这种固有的局限性使得多色可视化的X射线测试结果无法实现。通过调节钙钛矿的组成，可以改变其带隙，结合光刻技术和溶液加工，首次实现了X射线的彩色发光显示。

X射线照射钙钛矿纳米晶闪烁体。图片来源：Nature

通常应用的闪烁体材料种类很多。从化学成分来讲，闪烁体可分为有机闪烁体和无机闪烁体两大类；从物理形态来讲，闪烁体又可分为固体、液体和气体。在以往报道的无机闪烁体，如NaI（Tl）、CsI（Tl）、YAlO₃（Ce）、Bi₄Ge₃O₁₂等，尽管可以有效地进行X射线测试，但几乎所有这些材料都是块状晶体，并且在1700 ℃以上的温度通过Czochralski法生长，制备条件苛刻，价格昂贵。

常见闪烁体性质。图片来源：Nature

研究者通过条件相对温和的热注入溶液法，制备了一系列立方形钙钛矿纳米晶体（CsPbX₃，其中X=Cl、Br或I），平均尺寸为9.6 nm，具有良好的发光效率。

钙钛矿纳米晶闪烁体的全色彩可调谐辐射发光。图片来源：Nature

这种纳米晶闪烁体发光强度远高于传统量子点，优异的性能归功于卤化铅量子点的高发射量子效率。有趣的是，量子点性能又优于块状材料，这是因为量子点不像块体材料存在激子限制。

钙钛矿纳米晶闪烁体转化机理研究。图片来源：Nature

更重要的是，钙钛矿纳米晶体对X射线检测的最低检出限为13 nGy•s^-1，比通常用于X射线诊断的剂量低约420倍。这将大大地降低检测所需的辐射剂量，避免高能辐射对身体造成的伤害，提高X射线测试的安全性。同时，该闪烁体探测器还显示出优秀的响应性和循环稳定性。

基于CsPbBr₃的X-射线探测。图片来源：Nature

此外，通过该方法制备的闪烁体薄膜加工成本低、易用于大面积柔性X射线平板探测器的制备，有希望和商业平板成像仪集成，用于检测低剂量X-射线辐射。

基于钙钛矿型纳米晶的平板数字成像探测器。图片来源：Nature

该研究成果为实现闪烁体材料的性能调控提供了全新思路和途径，实现了一种低温下低成本制备闪烁体的方法，也探索了纳米晶体在闪烁体材料中的应用，大大地促进了X射线检测技术与成像原理在医学成像、国防科技、安全检查和高能物理研究等众多传统领域的进一步发展，同时也将推动纳米发光材料在新兴领域中的应用前景。

钙钛矿纳米晶闪烁体在X射线成像中的应用。图片来源：Nature

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

All-inorganic perovskite nanocrystal scintillators

Nature, 2018, 561, 88–93, DOI: 10.1038/s41586-018-0451-1

导师介绍

刘小钢

http://www.x-mol.com/university/faculty/4382

黄维

http://www.x-mol.com/university/faculty/27680

杨黄浩

http://www.x-mol.com/university/faculty/9517

（本文由小希供稿）