Neue Röntgendetektoren auf Basis von Perowskiten haben viele Vorteile. Auch bei geringerer Strahlendosis liefern sie gute Bilder, sind kostengünstig herstellbar und verbrauchen keinen Strom. US-Forscher sehen darin eine Alternative zu Silizium.

Neue, empfindlichere Röntgendetektoren aus Perowskitfilmen könnten die Strahlenbelastung beim Röntgen reduzieren.

In der medizinischen Diagnostik gehören neben Ultraschallgeräten verschiedene Röntgenverfahren zur Routine. Allein in Deutschland gibt es jährlich 140 Millionen solcher Untersuchungen. Rund 40 % sind im Dentalbereich tätig. Die anderen 60 % umfassen in der Regel Untersuchungen des Schädels, des Schultergürtels, der Wirbelsäule, des Beckengürtels, der Extremitäten und des Brustkorbs. Neben der Medizin gehören Materialprüfungen und Sicherheitskontrollen an Flughäfen zu den wichtigsten Einsatzgebieten von Röntgenstrahlen; genaue Zahlen gibt es nicht. Generell steigt der Bedarf. Denn abseits von Corona-Zeiten steigen die Passagier- und Frachtzahlen regelmäßig.

Umso wichtiger ist die Sicherheit von Mitarbeitern und Kunden oder Patienten. Aus diesem Grund haben Ingenieure des Los Alamos National Laboratory und des Argonne National Laboratory einen neuen Detektor auf Basis von Perowskitfilmen entwickelt. Ihnen ist es gelungen, die Strahlenbelastung und die damit verbundenen Sicherheitsrisiken deutlich zu reduzieren. Gleichzeitig wurde die Auflösung der Bilder verbessert.

Hintergrund: Moderne Röntgengeräte arbeiten mit einem Flachdetektor. Im ersten Schritt treffen Röntgenstrahlen auf einen Szintillator. Es besteht aus anorganischen Salzen oder organischen Molekülen, die bei Bestrahlung Licht emittieren. Unter dem Szintillator befindet sich ein Halbleiter, meist aus amorphem Silizium, der als Photodiode Licht in elektrische Energie umwandelt. Der nächste Schritt ist ein Dünnschichttransistor (TFT), der elektrische Signale aufzeichnet. Jeder einzelne Bildpunkt (jedes Pixel) kann über das TFT ausgelesen werden.

Nachteile des bekannten Aufbaus sehen die US-Forscher vor allem in der geringen Empfindlichkeit und Leistungsaufnahme der Detektoren, die den mobilen Einsatz erschweren. Sie ersetzten bekannte siliziumbasierte Technologien durch eine Struktur, die um einen dünnen Film aus künstlichem Perowskit herum aufgebaut war. Natürlich vorkommender Perowskit bedeutet kristallines Calciumtitanat.

Da der synthetische Perowskit reich an schweren Elementen wie Blei und Jod ist, werden Röntgenstrahlen leichter absorbiert als Silizium. Je höher die Dichte, desto stärker die Wechselwirkung. Weniger Strahlung passiert den Detektor, ohne physikalische Reaktionen auszulösen.

„Das Perowskit-Material, das das Herzstück unseres Detektor-Prototyps bildet, kann mit kostengünstigen Fertigungstechniken hergestellt werden“, sagt Hsinhan Tsai. Er ist Postdoc am Los Alamos National Laboratory. Filme werden durch Sprühen von Lösungen hergestellt, die aushärten und dünne Schichten des Materials hinterlassen. So lassen sich Perowskite problemlos auf Oberflächen aufbringen – eventuell sogar mit modifizierten Tintenstrahldruckern, um in kurzer Zeit eine große Anzahl von Detektoren herzustellen. Hochtemperatur-Metallabscheidungen unter Vakuumbedingungen, wie man sie von Siliziumdetektoren kennt, wären damit überflüssig.

Tsai: "Das Ergebnis ist ein kostengünstiger, hochempfindlicher und autarker Detektor, der bestehende Röntgendetektoren radikal verbessern und potenziell zu einer Vielzahl neuer Anwendungen führen kann."

Erste Tests im Labor lieferten vielversprechende Ergebnisse. Wie Tsai berichtet, ist der neue Detektor 100-mal empfindlicher als herkömmliche siliziumbasierte Geräte. Außerdem ist keine externe Stromquelle erforderlich, um als Reaktion auf Röntgenstrahlen elektrische Signale zu erzeugen. Dies eröffnet Chancen für mobile Geräte.

Aufgrund der höheren Absorption von Röntgenstrahlung im Vergleich zu Silizium eignen sich Perowskit-Detektoren in der Forschung beispielsweise zur Überwachung von Synchrotronen, also bestimmten Teilchenbeschleunigern. Auch hier werden Röntgenstrahlen emittiert. Sie sind energiereich, was bei Siliziumdetektoren zu Schwierigkeiten führen kann.

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Das wichtigste Anwendungsgebiet ist jedoch die Patientenversorgung: Mit hochempfindlichen Perowskit-Detektoren könnten dentale und medizinische Bilder gewonnen werden, die einen winzigen Bruchteil der Strahlendosis benötigen, die mit konventioneller Röntgenbildgebung verbunden ist. Eine geringere Exposition verringert das Risiko für Patienten und medizinisches Fachpersonal gleichermaßen. Die Tatsache, dass Perowskit-Detektoren eine höhere Auflösung mit detaillierten Bildern bieten, könnte die medizinische Diagnose verbessern. Zusammen mit maschinellem Lernen und Algorithmen der künstlichen Intelligenz lassen sich viele Prozesse vom Bild bis zur Diagnose automatisieren.

Zu guter Letzt bleibt der Sicherheitsbereich erhalten. Tsai kann sich vorstellen, dass Geräte ausgelöst werden, um gefährliche Objekte besser zu identifizieren. Auch mobile, energiesparende Lösungen sind denkbar.

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Michael van den Heuvel hat Chemie studiert. Er arbeitet unter anderem für Medscape, DocCheck, für die Universität München und für pharmazeutische Fachmagazine. Seit 2017 ist er freier Journalist und Gesellschafter von Content Qualitäten. Seine Themen: Chemie / Physikalische Chemie, Energie, Umwelt, KI, Medizin / Medizintechnik.

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