近日，鄭州大學(xué)物理學(xué)院、中原之光實(shí)驗(yàn)室在高透明、大尺寸、高分辨X射線閃爍材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究方面取得積極進(jìn)展，為大尺寸的X射線檢測成像奠定了基礎(chǔ)。

X射線閃爍體是實(shí)現(xiàn)高靈敏輻射探測與成像的關(guān)鍵材料，其核心功能在于將X射線能量高效轉(zhuǎn)換為可見光信號，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像、安全檢查、工業(yè)無損檢測等多個領(lǐng)域。從傳統(tǒng)碘化銫（CsI:Tl）到新興的金屬鹵化物鈣鈦礦閃爍體，不同材料體系各有優(yōu)劣。例如，傳統(tǒng)無機(jī)閃爍體雖然具有較高的X射線吸收能力，但其在大面積高分辨率成像方面仍存在優(yōu)化空間。此外，有機(jī)閃爍體因其合成靈活、低成本等優(yōu)勢受到關(guān)注，但其設(shè)計(jì)流程復(fù)雜、光學(xué)穩(wěn)定性較差，難以適用于長期使用環(huán)境。因此，開發(fā)兼具高透明度、高光產(chǎn)額、大面積可制造性的X射線閃爍體成為當(dāng)前研究的關(guān)鍵方向。

ZnO量子點(diǎn)閃爍體的設(shè)計(jì)、發(fā)光和成像

研究團(tuán)隊(duì)采用無序組裝策略，在常溫條件下利用溶液法制備出面積達(dá)1米×0.5米的大面積氧化鋅量子點(diǎn)（ZnO QDs）閃爍體，該材料具有類玻璃態(tài)的高光學(xué)均勻性，在可見光范圍內(nèi)透過率高達(dá)96%，打破了傳統(tǒng)閃爍體尺寸與透明度難以兼得的限制。通過優(yōu)化激子態(tài)分布，三重態(tài)自陷域激子顯著提升了閃爍發(fā)光的貢獻(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)大面積高分辨率X射線成像。其空間分辨率高達(dá)42 lp/mm，X射線探測最低劑量率為37.6 ± 0.4 nGy/s，顯著低于傳統(tǒng)醫(yī)療成像劑量要求；在5000 cm²面積單次掃描中實(shí)現(xiàn)了背包內(nèi)部器件、生物骨組織等結(jié)構(gòu)的高對比度成像，并完成了24幀/秒的實(shí)時動態(tài)成像演示。

研究人員從激發(fā)態(tài)發(fā)光機(jī)制上實(shí)現(xiàn)了三重態(tài)激子的“亮態(tài)”利用，提出了“量子點(diǎn)交換不變性”概念，揭示了無序組裝在光學(xué)輸出穩(wěn)定性上的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，為大面積量子點(diǎn)玻璃態(tài)閃爍體的可制造性提供理論依據(jù)。該成果不僅在閃爍材料設(shè)計(jì)、激子調(diào)控與高性能輻射成像器件開發(fā)方面具有重要科學(xué)價(jià)值，也為大面積高分辨X射線成像發(fā)展提供了材料支撐和技術(shù)路徑。

相關(guān)研究成果以“Scalable X-ray scintillators with bright singlet-triplet hybrid self-trapping excitons”為題發(fā)表在國際知名物理類期刊《Light: Science & Applications》上。其中，物理學(xué)院青年老師宋世玉為論文第一作者，郜超軍高級實(shí)驗(yàn)師為共同第一作者，單崇新教授和劉凱凱教授為共同通訊作者，鄭州大學(xué)物理學(xué)院為第一完成單位。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、河南省優(yōu)秀青年科學(xué)基金、中國博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01869-z