太陽電池材料は医療画像に革命をもたらす可能性を秘めています

X 線は、検出器の材質が不十分なため、害やがんを引き起こす可能性があります。

X 線透視検査などの高度な X 線イメージング技術により医療は改善されましたが、X 線線量率を下げることで患者への被害が軽減され、新たな応用が可能になります。 放射線機器で検出可能な X 線の最低線量率は、現在、検出器に使用されている減衰材料によって設定されています。

オックスフォード大学とケンブリッジ大学が率いる研究チームは、太陽電池材料であるオキシヨウ化ビスマス（BiOI）が、市販されている最高の検出器よりもほぼ250倍低いX線線量率を検出できることを発見した。 これにより、医療画像処理がより安全になると同時に、X 線ビデオアプローチなどの非侵襲的診断の新たな機会が開かれる可能性があります。

この研究を主導したオックスフォード大学のロバート・ホイ博士は、「我々はBiOI単結晶を開発して、現在の最先端の医療画像処理装置よりも100倍以上優れたX線検出器を開発した。BiOI 「毒性がなく、空気中で安定しており、コスト効率よく大規模に成長させることができます。私たちは、BiOI が次世代の非侵襲的診断法をより利用しやすく、より安全で、より効果的なものにする可能性に非常に興奮しています。」

BiOI は、可視光を吸収し、空気中で安定性を維持する無毒の半導体です。 これらの特性のため、太陽電池 (太陽光をクリーンな電気に変換)、光電気化学電池 (太陽光を燃料に変換)、スマート デバイスに電力を供給するための環境発電など、過去 10 年間でこの材料への関心が高まっています。アプリケーション。

BiOI を X 線検出器に変えるというこれまでの試みは、検出器のナノ結晶構造に起因する欠陥によって引き起こされる高いエネルギー損失により失敗しました。

研究者らは、拡張性の高い蒸気ベースの技術を利用して高品質の BiOI 単結晶を生成する方法を開発し、特許を取得しました。

これらの結晶の低い欠陥密度によって生成される安定した超低暗電流は、材料の X 線感度と検出限界を大幅に向上させるために不可欠でした。

この研究を共同主導したケンブリッジ大学材料科学・冶金学部のジュディス・ドリスコル教授は、「これらの簡単に加工された低温成長の安定した結晶が、これほど高いX線検出感度を実現できることを示したことは、非常に注目に値する」と述べた。私たちは数年前にこの材料である BiOI の開発に取り組み始めましたが、毒性と性能を合わせて考慮すると、この材料がさまざまなオプトエレクトロニクスおよびセンシング用途において他の競合材料よりも優れていることがわかりました。」

研究者らは、BiOI が X 線検出器としてなぜこれほど効果的に機能するのかを解明するために、学際的なチームを結成しました。 彼らは高度な光学技術を採用して、1兆分の1秒で発生する出来事を解決しました。 彼らはそれらをシミュレーションと組み合わせて、これらのプロセスを原子レベルで起こっていることと結びつけました。

彼らは、電子が格子内の振動につながり、不可逆的なエネルギー損失チャネルが生じる独自のルートを発見しました。 他のハロゲン化ビスマス化合物とは異なり、BiOI 内の電子は非局在化されたままであるため、電子は BiOI 格子内を容易かつ迅速に流れることができます。

同時に、電子と格子振動の独特な相互作用により、たとえ材料に欠陥がなかったとしても存在するであろう不可逆的なエネルギー損失経路が生じます。

これらの損失を克服するには、サンプルを冷却して熱エネルギーを減らすか、電場を印加して格子から電子を引き抜きます。 後者の場合は、X 線検出器の動作と完全に一致します。

電子は、小さな電場を生成することによってミリメートル長スケールにわたって転送できます。 これにより、X線の吸収によって単結晶内に生成された電子を効果的に取り出すことが可能になります。

このプロジェクトを共同主導したケンブリッジ大学材料科学・冶金学部のバルトメウ・モンセラート博士は、「我々はBiOIをこれほど優れたものにしている注目すべき光電子特性を完全に説明できる、電子とイオンの顕微鏡的な量子力学モデルを構築した」と述べた。 X線検出に適した素材です。」

これは、同様の有利な特徴を備えたさまざまな材料を開発するためのフレームワークを提供します。 新しい研究は、ハロゲン化ビスマス錯体において非局在化電荷キャリアを実現する方法を明らかにしました。

研究者らは現在、BIOIと同様の有利な特徴を備えた材料の開発と、BIOIの組成を変更してその輸送特性をさらに最適化する方法に焦点を当てている。

彼らはまた、単結晶で観察される特別な特徴を維持しながらBIOI検出器の規模を拡大する方法を開発することにより、BIOIのユニークな利点を社会にもたらすことにも取り組んでいます。

この研究には、インペリアル・カレッジ・ロンドン、クイーン・メアリー大学ロンドン、ミュンヘン工科大学、トゥールーズのCNRSの研究者も参加した。

参考雑誌: