防水闪烁体，通过颜色和空间重构实现高效的 3D X 射线成像

亮点

具有防水性能的卤化铜单晶的探索与制备
制造用于高分辨率X射线闪烁成像的柔性屏幕
颜色和空间重构实现令人印象深刻且清晰可见的 3D X 射线成像

发现新材料或新现象

作者

赵双义、吴玉江、金志文、…、钱庆凯、Omar F. Mohammed、Zhigang Zang

通讯地址：zangzg@cqu.edu.cn

简而言之

零维杂化铜卤化物单晶结构致密，发光效率高，防水性能优异，可用作柔性、稳定的X射线闪烁屏的闪烁体，具有高空间分辨率和低检测限。此外，通过颜色和空间重构技术，增强了可视化效果并实现了立体成像，从而实现了令人印象深刻的三维X射线成像。

防水闪烁体，通过颜色和空间重构实现高效的 3D X 射线成像

赵双义, $^{2}$ 吴玉江, $^{3}$ 金志文, $^{3}$ 赵锦荣, $^{2}$ 康安 $^{2}$ 彭若愚, $^{2}$ 吴晓晨, $^{2}$ 梁德海, $^{2}$ 钱庆凯, $^{2}$ 奥马尔·F·穆罕默德， $^{4}$ 和臧志刚 $^{1 ， 2 ， 5 ， *}$ $^{1}$ 燕山大学信息科学与工程学院，河北秦皇岛066004 $^{2}$ 重庆大学光电工程学院，重庆 400044 $^{3}$ 兰州大学物理科学与技术学院、兰州理论物理中心、甘肃省理论物理重点实验室，兰州 730000 $^{4}$ 沙特阿拉伯国王阿卜杜拉科技大学（KAUST）物理科学与工程系可再生能源与存储技术中心（CREST），Thuwal 23955-6900 $^{5}$ 潜在客户联系人*通讯地址：zangzg@cqu.edu.cnhttps://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102261

抽象的

进展与潜力 X 射线闪烁体可将高能 X 射线转换为可见光，已应用于各个领域。然而，传统 X 射线闪烁体存在湿度稳定性差、制造工艺复杂、刚性高等问题。此外，传统闪烁体本身光输出低，导致成像质量显著下降，需要更高的辐射剂量才能达到必要的成像标准，从而对人体健康构成重大风险。本研究制备了具有有机分子骨架的卤化铜单晶，具有优异的防水性能。因此，基于防水单晶的柔性闪烁膜表现出优异的闪烁性能。此外，利用颜色和空间重构技术可以实现令人印象深刻的三维成像，从而揭示物体清晰独特的内部细节。这些柔性防水闪烁体在具有挑战性的环境中具有巨大的应用前景。

抽象的

概括

金属卤化物X射线闪烁体在医学诊断、无损检测、安全检查和太空探索等诸多领域都具有巨大的应用潜力。然而，传统闪烁体易受潮分解，这一问题已成为阻碍下一代X射线成像技术发展的一大障碍。本文，我们报道了一种无毒的铜卤化物闪烁体，其具有有机骨架结构，疏水性长链分子赋予闪烁体优异的防水性能，即使在水中浸泡500天后也能保持优异的防水性能。此外，由这种稳定的闪烁体制备的柔性薄膜表现出优异的辐射稳定性以及高达1000 nm的分辨率。 $16.6 LP {毫米}^{- 1}$ 检测下限为 $33.75 {纳戈瑞}_{空气} 秒^{- 1}$ 最后，利用色彩和空间重构技术，实现了令人印象深刻的3D X射线成像，清晰地展现物体内部细节。这项工作凸显了我们防水闪烁体在高效3D X射线成像方面的显著优势，为其在具有挑战性的环境中实现多样化应用铺平了道路。

介绍

X射线成像技术利用X射线极强的穿透能力来揭示物体内部的细节，广泛应用于医学诊疗、无损检测、安全检查、航空航天和学术研究等领域。

^{1 - 6}

辐射激发发光闪烁体能够将X射线转换为可见光子，其需求量很大，被认为在X射线成像技术中发挥着决定性的作用。

^{7 - 10}

尽管 X 射线成像闪烁体得到了广泛的探索和巨大的进步，例如

CS (钠)

升：

德州仪器 ， 硼酸 (双_{4} 葛_{3} 哦_{12})

，和

溶血性贫血 ((鲁 ， 是)_{2} {二氧化硅}_{5})

，其制造复杂、制造温度高以及刚性可能会阻碍其大规模商业化。

^{11 - 十三}

此外，人们发现，传统闪烁体的重要优点，包括X射线吸收和光产额，不能满足X射线成像应用的要求，因为高辐射剂量会导致图像不满意和对人体的严重损害。

^{14 - 16}

因此，为了即使在具有挑战性的环境中也能以低剂量提供高质量的图像，迫切需要开发能够使用可行的低温制备方法高效制造的下一代闪烁体。

金属卤化物作为新兴的光电材料，由于其原子序数较大（

Z

)、高光产量和可溶液加工制造。

^{17 - 20}

值得注意的是，低维金属卤化物具有由有机分子分离的金属卤化物骨架，其具有高效的自陷激子 (STE) 发光、大的斯托克斯位移和高光致发光产额 (PLQY)，在增强闪烁性能方面显示出巨大的前景。

^{21 - 24}

因此，低维金属卤化物闪烁体因其较高的空间成像分辨率和较低的检测限（LoD）在X射线成像领域得到了前所未有的发展。

^{二十五 - 二十八}

然而，由于低维金属卤化物结构不致密，形成能较低，在水条件下不可避免地会发生分解，水分子诱导的晶格膨胀可能导致不可逆的结构畸变以及金属和卤素原子之间的化学键断裂。

^{二十九 ， 三十}

此外，侵入的水分子能够与金属或卤化物离子发生配位，导致其电子密度和分布发生变化。由于低维金属卤化物中的激子被发现位于金属卤化物团簇附近，金属或卤化物离子附近重新分布的电子与激子的相互作用以及金属卤化物团簇的分解都可能直接导致激子湮灭，最终导致发光猝灭。为了促进基于低维金属卤化物闪烁体的商业化成像应用，人们尝试了各种方法来提高其水稳定性，包括用无机氧化物和聚合物进行涂覆和封装，但前驱体复杂的水解和交联过程可能会降低闪烁性能。

^{31 - 33}

在本研究中，零维（OD）铜卤化物（

碳_{三十二} 哈_{68} 北

)溴化亚铜

_{2}

采用简单低温溶液法合成单晶。

20 - 毫米 (碳_{三十二} 哈_{68} 北)

{溴化亚铜}_{2}

单晶在室温下表现出以 524 nm 为中心的 STE 主导绿色发射，PLQY 高达

67.6 ％

并具有较大的斯托克斯位移 238 nm 。此外，由于长链四辛基铵分子的强疏水性和骨架的紧密堆积（

碳_{三十二} 哈_{68} 北

)溴化亚铜

_{2}

，其致密的晶体结构使其具有出色的水稳定性。得益于防水性能，PLQY

(碳_{三十二} 哈_{68} 北) {溴化亚铜}_{2}

单晶仍保持

63 ％

即使在水中浸泡500天后，其光输出仍保持在初始值的水平，显示出作为高效、耐水X射线成像闪烁体替代品的良好潜力。随后，在大气压下制备了柔性薄膜屏幕，展现出优异的X射线闪烁成像性能，包括高达

\sim 四十七 ， 000

光子

{兆电子伏}^{- 1}

，高空间分辨率

16.6 LP {毫米}^{- 1}

，低 LoD

33.75 {纳戈瑞}_{空气} 秒^{- 1}

以及令人印象深刻的灵活性（10,000 次弯曲）和辐射稳定性（总剂量

= 19.0 {戈瑞}_{空气}

)。此外，在传统的二维射线成像中，通过颜色重构和空间重构策略，分别增强可视化和改善立体成像，从而进一步增强三维成像能力。最终，利用灵活的方法获得了具有可判别性和可分析性的三维断层成像结果。

(碳_{三十二} 哈_{68} 北) {溴化亚铜}_{2}

闪烁屏。这一创新显著凸显了低维金属卤化物优异的闪烁成像特性，并极大地扩展了其在挑战性环境中的潜在应用。

结果与讨论

防水单晶的晶体和电子结构

一种低成本、可重复的溶液法，其中含有 CuBr 的 DMF 前体和

(碳_{三十二} 哈_{68} 北) 溴

粉末蒸发至

60^{\circ} 碳

，用于生长无色透明

(碳_{三十二} 哈_{68} 北) {溴化亚铜}_{2}

单晶（SCs）的最大尺寸为

20 \times 2.5 \times 1 {毫米}^{3}

（图 S1）。在日光下，（

碳_{三十二} 哈_{68} 北

)

{溴化亚铜}_{2}

SC 呈现透明无色，在光照下发出明亮的绿色荧光

265 - 纳米

激发，如图1A所示。为了进一步确认晶体结构和纯度，对

(碳_{三十二} 哈_{68} 北) {溴化亚铜}_{2}

SC. 如图 1B 和表 S1 所示，（

碳_{三十二} 哈_{68} 北

)溴化亚铜

_{2} 南卡罗来纳州

对应于单斜晶体结构的(200)、(400)、(600)和(800)晶面，观察到的杂质峰可以忽略不计，表明制备的SC具有定向生长和高纯度。借助晶体分析，OD晶体结构

(碳_{三十二} 哈_{68} 北) {溴化亚铜}_{2}

在分子水平上，由无机

{[{溴化亚铜}_{2}]}^{-}

集群和

碳_{三十二} 哈_{68} 北

分子，如图 1C 所示。研究发现，四辛基铵阳离子之间通过范德华力形成的致密有机骨架能够容纳无机团簇，从而保护

{[{溴化亚铜}_{2}]}^{-}

水分子团簇的形成（图S2）。形貌和元素分布通过配备能量色散谱（EDS）的扫描电子显微镜（SEM）进行表征。图S3A展示了（

碳_{三十二} 哈_{68} 北

)溴化亚铜

_{2} 南卡罗来纳州

，对应于晶体的取向面。图S3B-S3F中的EDS映射图像显示其元素分布均匀，表明单晶生长均匀，无元素聚集和化合物扩散。Cu和Br的原子数为

18.4 ％

和

41.7 ％

，从而得到接近约

1 ： 2

，与理想的无机组成一致

(碳_{三十二} 哈_{68} 北) {溴化亚铜}_{2} 南卡罗来纳州

。此外，其有机元素（

碳 ， 北 ， 哈

)重量比通过元素分析仪进行研究，结果与理论值一致

碳_{三十二} 哈_{68} 北

（表S2）。这一发现表明低温溶液法对于生长大尺寸、高纯度的单晶是有效的。

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