Учёные разработали новый материал для рентгеновских детекторов на основе тонких плёнок

Изображение аморфной плёнки нульмерного органическо-металлогалогенного гибрида (0D OMHH), созданной исследовательской группой Биву Ма. Автор: Биву Ма

Большинство людей представляют рентгеновские лучи как инструмент для диагностики переломов костей. Однако эта технология не менее важна в аэропортах, производстве, контроле качества и научных исследованиях, где требуются детекторы разного размера и формы.

Команда под руководством профессора химии и биохимии Университета штата Флорида Биву Ма разработала новый материал для рентгеновских детекторов на основе тонких плёнок, который может удовлетворить потребности крупномасштабных применений. Работа опубликована в журнале Angewandte Chemie International Edition.

«Мы улучшили материал, который разработали ранее, — сказал Ма. — Эта новая форма может быть изготовлена быстро и надёжно, предоставляя конечным пользователям новый способ интеграции рентгеновского детектирования в их работу».

Ма и его группа являются пионерами в создании материалов, известных как нульмерные органическо-металлогалогенные гибриды (0D OMHH). Эти материалы сочетают органические компоненты (с углеродным каркасом или углерод-водородными связями) с неорганическими металлогалогенидами (соединениями металлов и галогенов). Их гибридная форма позволяет использовать лучшие свойства обоих компонентов, предлагая недорогие, настраиваемые и высокопроизводительные материалы для прямого детектирования рентгеновского излучения.

В предыдущих исследованиях группа показала, как монокристаллы 0D OMHH могут использоваться в рентгеновских детекторах. Однако их масштабируемость ограничена медленным и сложным процессом роста кристаллов.

В новой работе команда Ма разработала аморфные плёнки OMHH — тонкие листы толщиной в миллиметр, которые можно формовать различными способами. Эти плёнки легко изготавливаются в виде детекторов большой площади и произвольной формы, что расширяет их применение в астрономии, материаловедении и медицинской визуализации.

«Если врач хочет сделать рентген грудной клетки, важно иметь детектор достаточно большого размера, чтобы охватить всю область для точного изображения, — объяснил Ма. — Выращивать монокристаллы такого размера крайне сложно. С нашим новым подходом и этим аморфным плёночным материалом у нас теперь есть потенциал создавать гораздо более крупные и универсальные рентгеновские детекторы для широкого спектра применений».

Процесс подготовки и создания аморфного плёночного материала. Полученная плёнка демонстрирует отличную однородность и гладкость, легко извлекается из формы, а её размер, толщина и площадь могут регулироваться изменением концентрации предшественника, количества раствора и размеров формы. Автор: Биву Ма

Как это работает

0D OMHH состоят из положительно заряженных органических катионов, ионно связанных с отрицательно заряженными металлогалогенными единицами, образуя структуры с высоко настраиваемыми свойствами. Эти материалы уже показали перспективность в светодиодах (LED), защите от подделок и других областях.

В этом исследовании команда создала аморфные плёнки, комбинируя некристаллические органические молекулы с металлогалогенидами, что обеспечивает эффективное преобразование рентгеновских лучей в электрические сигналы для генерации изображений. Как и монокристаллы, аморфные плёнки демонстрируют высокую чувствительность, низкий предел обнаружения и отличную стабильность, что усиливает их потенциал для широкого внедрения в детекторы.

Применение и перспективы

Рентгеновские лучи критически важны в медицинской диагностике (рентгенография, флюороскопия), неразрушающем промышленном контроле (обнаружение дефектов сварки, трещин в материалах) и проверке целостности конструкций.

Детекторы также используются в системах безопасности — от сканеров багажа в аэропортах до выявления опасных материалов в почтовых отправлениях. Они играют ключевую роль в производстве, например, при проверке пищевых продуктов на загрязнения.

Детекторы большой площади упрощают визуализацию, обеспечивая более высокое разрешение, улучшенное обнаружение и ускорение обработки сканируемых объектов. Их способность охватывать большую площадь за одно сканирование особенно полезна в таких отраслях, как инспекция грузов, где важны скорость и эффективность.

«Значимость этой работы заключается в возможности промышленного производства детекторов большой площади, что критически важно для практического применения материала, — отметил заведующий кафедрой химии и биохимии Вэй Ян. — Это важный шаг в высокоинновационной работе, начатой Биву, которая демонстрирует уникальные возможности нашего факультета в этой перспективной области».

В апреле была подана предварительная заявка на патент США под названием «Прямые рентгеновские детекторы на основе аморфных нульмерных органическо-металлогалогенных гибридных плёнок, получаемых из раствора». Ма также работает над созданием компании с промышленным партнёром для коммерциализации технологий, разработанных его группой, включая этот новый способ улучшения рентгеновских технологий.

«С момента первой публикации об этих материалах почти десять лет назад мы с коллегами постоянно расширяли границы их возможностей, — сказал Ма. — Мы видим в 0D OMHH универсальные и мощные материалы, которые могут предложить лучшие решения во многих областях».

Дополнительная информация: Oluwadara J Olasupo et al, Solution-Processed Amorphous Zero-Dimensional Organic Metal Halide Hybrid Films for Direct X-Ray Detectors, Angewandte Chemie International Edition (2025). DOI: 10.1002/anie.202509589

Источник: Florida State University