近年来，X/γ射线的探测在医学成像、剂量测量、辐射防护等领域已经取得广泛应用。铅卤钙钛矿作为一种新兴的闪烁材料受到了广泛关注。然而，其激子发光的斯托克斯位移较小，且存在严重的自吸收问题，大量激发光子无法被探测到，制约了该材料的探测性能和应用。为解决这一难题，研究人员进行了深入研究，取得了令人振奋的突破。
在以往的研究当中，研究人员尝试采用限域激子发光和掺杂剂等策略来解决自吸收问题。然而，这些方法在抑制自吸收的同时，却导致了发光寿命的延长。近日，中国科学院深圳先进技术研究院医学成像科学与技术系统重点实验室团队和华中科技大学光电子器件与三维集成团队在该领域共同合作，此次的最新研究发现，二维钙钛矿晶体中普遍存在的内在应变现象，可以显著减少自吸收效应，而不影响发光寿命。这一发现为高能γ射线探测和PET成像提供了全新的思路，这项研究成果于近期在Nature Communications杂志在线刊发。此论文题目为“Self-wavelength Shifting in Two-dimensional Perovskite for Sensitive and Fast Gamma-ray Detection”，论文第一作者为金童、柳正和罗家俊，牛广达和薛堪豪为本文通讯作者。
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二维钙钛矿单晶和薄膜在以往的研究中已经有不少有关应变效应的报道，但是其结构起源等机理仍然不甚明了，而内在应变如何提升了二维钙钛矿的性能效果也尚未得到详细的研究。本工作研究了一组具有良好量子和介电限域效应的二维钙钛矿单晶。通过采用掠入射X射线衍射测量，研究人员发现该晶体样品表面存在压缩应变的现象。进一步的X射线光电子能谱分析和理论计算表明，这一压缩应变的结构起因源自表面胺基的缺失。瞬态光致发光光谱研究明确揭示了从表面到体相的快速能量转移过程，为实现“自移波”和快速发光寿命奠定了基础。
图1. 钙钛矿闪烁体发光性能总结和自移波示意图。
基于这一发现，材料研究人员与医学成像团队展开了卓有成效的合作，成功将具有“自移波”特性的二维钙钛矿闪烁体应用于高能γ射线探测，首次实现了该闪烁体在正电子发射断层扫描PET图像的精确重建。这一研究不仅为γ射线快响应材料的探索提供了新的思路，还为新材料高时间分辨率PET探测器的发展提供了有力支持。此外，它也为无需依赖传统断层扫描重建的PET直接成像提供了有价值的研究方向。
图2. 二维钙钛矿的单晶X射线衍射图、光致发光和辐射发光性能比较及二维钙钛矿表面与内部之间的Förster共振能量转移过程
这一突破性的研究成果可能推动PET医学成像和辐射治疗领域的发展，为更精确、更高效的人类健康服务打开了新的可能性。
图3 二维钙钛矿的γ射线性能测试与正电子发射计算机断层扫描仿体成像结果。
本研究工作获得了科技部重点研发计划、国家自然科学基金项目、深圳市基础研究计划等项目支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38545-y