הפוטנציאל של ננו-חומרים בקרנות הדור הבא

הקדמה: פרדוקס חדש לקרינה

גילוי קרינה הוא יכולת קריטית בכל הרפואה, האבטחה, האנרגיה הגרעינית, ניטור סביבתי, וחקר החלל.גלאים מסורתיים - המבוססים על גבישים מתפתלים, תאים מלאים גז, או מוליכים למחצה - שירתו את השדות האלה היטב במשך עשרות שנים, אבל הם מתמודדים עם מגבלות חד-טיפוסיות, מהירות, גודל, עמידות. גוף גדל של מחקר מציע כי ננו-חומרים, המונדסים בקנה מידה של מולקולות אינדיבידואליות ומולקולות, יכולות להתגבר על פני השטח, על ידי תכונות אלה, על פני השטח של זמן, על ידי תכונות מתמטיות, על פני השטח המסחריות, וגמישות, על פני השטח של זמן רב-חומריות, וגמישות גבוהה, על ידי תכונות מורכבות, על ידי תכונות גבוהות יותר, על פני השטח, על פני השטח, וגמישות גבוהה, וגמישות, וגמישות גבוהה, וגמישות גבוהה, וגמישות, וגמישות גבוהה של זמן, וגמישות, וגמישות, וגמישות גבוהה של זמן רב-חומריות.

מה הם ננו-חומרים?

ננו-חומרים מוגדרים כחומרים עם לפחות ממד אחד מדידת פחות מ-100 ננומטרים (nm) בקנה מידה זה, התכונות הפיזיות, הכימיות והאלקטרוניות של חומר יכול להיות שונה באופן משמעותי מהמקבילה העיקרית שלו.

  • (FLT:0) חלקיקים: FLT:1 חלקיקים ריבועיים או לא סדירים עם קוטרים בדרך כלל בטווח של 1–100 nm. יחס פני השטח הגבוה שלהם-שטח-שטח-שטח-שטח משפר את האינטראקציה בין-חלקים עם קרינה מייננת.
  • (FLT:0)Nanowires וננודדים: OVAFLT:1 ; מבנים חד-ממדיים עם קוטרים על סדר של עשרות ננומטרים ואורך עד כמה מיקרומטרים.הם מציעים נתיבי תחבורה מכוונים, אשר יכולים לשפר את יעילות איסוף נושא.
  • (FLT:0)Nanotubes:FLT:1 הוולו מבנים צילינדיים כגון צינורות פחמן (CNTs) או צינורות בורון-nitride. CNTs להציג מוליכות חשמלית יוצאת דופן וכוח מכני, מה שהופך אותם שימושיים עבור אלקטרודה ושכבות מטען מטען.
  • (FLT:0)Quantum dots:FLT:1 Semiconductor ננוקריסטלים המציגים אפקטים של הגבלת קוונטים, וכתוצאה מכך גודל-לא ניתן לחבושות ותשואות קוונטיות גבוהות של photoluminescence.הם אטרקטיביים במיוחד כמו scillators עבור המרת קרינה לאור גלוי.
  • (FLT:0) סרטי תהילים ורב-שכבות: ניב 1 (Nanoscaleשכבות) שהופקדו באמצעות טכניקות כגון פצצת אטומית (ALD) או אפימיסוי מולקולרי (MBE) מבנים אלה מאפשרים שליטה מדויקת על הרכב החומרי ועל איכות הממשק.
  • (FLT:0)Nanocomposites:FLT:1 חומרים היברידיים המשלבים ננומטריים (למשל, חלקיקים או ננו-wires) עם חומר ממטריקס (למשל, פולימר או קרמיקה) כדי להשיג תכונות סינרגיות.

התכונה המגדירה של ננו-חומרים – אזור פני השטח הגבוה יחסית לנפח – משפיעה באופן ישיר על גילוי קרינה.שבריר גדולה יותר של אטומים השוכנים על פני השטח או בסמוך למשטח, שם הם יכולים לתקשר בצורה יעילה יותר עם אירוע קרינה.בנוסף, במבנים של הלהקה האלקטרונית הופכים רגישים לגודל ומורפולוגיה, ומאפשרים למהנדסים לכוון תכונות חומריות כגון אנרגיית פסים, ניידות, ואורך גל זוהר באמצעות סינתולציה מבוקרת.

עקרונות של גילוי קרינה עם ננו-חומרים

רוב גלאי הקרינה פועלים על אחד משני עקרונות יסוד: FLT:0direct ההמרה FLT:1, שבו קרינה מייצרת זוגות של חור אלקטרונים שנאספו כאות חשמל, או FLT:2indirect ההמרה FLT 3:2indirect להמיר חומרים מפרשי קרינה אשר פולטים אור גלוי או אולטרה סגול, אשר לאחר מכן הוא על ידי תמונה מזוהה ניתן גם נתיבים ננומטריים.

בגלאי המרה הישירים, הדמות המרכזית של הערך היא יעילות המטען.ננו מוליכים למחצה מובנים כגון nanowires או ננו ⁇ סרטים מציעים מרחקי מעבר קצרים עבור ספקים אחראיים, צמצום ההסתברות של recombination ומלכודת. זה מוביל לזמני תגובה מהירים יותר רגישות גבוהה - במיוחד חשוב עבור קרינת הפעלה נמוכה או חלשות.

[השטח הגבוה של ננו-חומרים משפר גם את ההסתברות של פיזור בלתי-רשמי, אשר הפיק אנרגיה בחומר הגלאי.לדוגמה, שכבת חלקיקים גבוהה יכולה להגדיל את כוח העצירה האפקטיבי לקרני גמא וגילויי רנטגן ללא צורך במגינים עבים, מגושמים רבים.

יתרונות מרכזיים של ננו-חומרים בקרינת קרינה

1. הגדלת רגישות

רגישות - היכולת לזהות רמות נמוכות של קרינה - היא אחד היתרונות המשכנעים ביותר של גלאי nanomaterial מבוסס גלאי. יחס פני השטח גבוה-שטח-שטח-שטח-שטח-שטח פירושו כי שיעור גדול יותר של נפח החומר פעיל בתהליך זיהוי.לדוגמה, רשת של תחמוצת אבץ (ZnO) מייצרת שטח עצום לאינטראקציה קרינה, המאפשר זיהוי של X-rayx-x כי ניתן להגדיל את ה-Doltext מרובים כדי להגדיל את ה-x באופן קבוע, בנוסף, כמו גם לדגמימים מרובים יותר, 000 אלקטרו-D2GTrax רגיל, כולל, כולל גלאיטיאוטמיים מרובים, כולל קרינת אלקטרו-DNUMX-D (Zn-D).

זמן תגובה מהיר יותר

הממדים הקטנים של ננו-חומרים תוצאה של מרחקי מעבר קצרים עבור נשאים מטען.בגל nanowire, אלקטרונים מקודמים וחורים זקוקים לנסיעה רק כמה מאות ננומטרים כדי להגיע לאלקטרודות, בהשוואה מיקרומטרים או מ"מ בגיריש גדול.זה מקטין זמן מעבר ומשפר את רזולוציית הזמן של הגלאי.

3.הגדלה של הורות וקרינה קשיחות

גלאי קרינה המשמשים כורים גרעיניים, מאיצים חלקיקים, או סביבות חלל חייבים לעמוד במינונים גבוהים של קרינה מייננת ללא השפלה משמעותית. ננו חומריים לעתים קרובות להציג קשיחות קרינה גבוהה בהשוואה לחומרים גדולים בשל גודל הדגנים הקטן שלהם ודחיסות גבוהה של ממשקים, אשר יכול לשמש כיור עבור פגמים הנגרמים קרינה.

4.Miniaturization ו- Form-Factor Flexibility

ננו חומריטיס ניתן לסנתז ולהפיק סרטים דקים, דיונים, או אפילו תרסיסים אווירוסול, המאפשר לגלולים להשתלב בפלטפורמות קומפקטיות, ניידות או גמישות.זה פותח יישומים ב- dosimeter קרינה עוטה, סורקי אבטחה דחוסים, וחיישנים מוטבעים עבור האינטרנט של דברים (IoT יתר על כן, היכולת לעצב nanostructures באמצעות photolithography, nanoimprint, או self-a-a-a-a-a-s-s-s-to-to-a-a-a-a-a-a-aphine-a-a-co-s-to-to-s-to-to-to-to-s-s-s-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-a-a-aemated-to-s-s-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-s-s-s-s-s-s-to-s-s-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to

תכונות וחומרים Versatility

אחת התכונות החזקות ביותר של ננו-חומרים היא היכולת לכוון את התכונות שלהם על ידי שליטה בגודל, צורה, הרכב וכימיה משטח. dots קוונטית, לדוגמה, ניתן לסנתז כדי פולט אור בכל אורך גל על פני ספקטרום גלוי וקרוב- infrared פשוט על ידי שינוי הקוטר שלהם.זה מאפשר specillators להיות מתוכנן עם התאמה אופטימלית ל photodetec סטנדרטי כגון סיליקון מנפחים של CMsclipstostostostotic (כגון חיישנים ספציפיים) או CMipry).

מחקר ופיתוח נוכחי

המונחים: nanowire-based Direct Conversion Detectors

Znc oxide (ZnO) ננווטים נחקרו באופן נרחב עבור זיהוי רנטגן בשל ה-Switch הנרחב שלהם (3.37 eV), ניידות נושא גבוה, וקשידות קרינה. חוקרים מאוניברסיטת מישיגן ואוניברסיטת קיימברידג' הוכיחו את ZnO ננוחוטים מערכי זיהוי אשר מציגים רגישות רבה מדי על סדר microcoulombs per ⁇ i, תוך כדי פרסום מסחרי a-Spans מבוססי יישומים עבור ⁇ , הוכחוגניבה, 000.

המונחים: dot Scintillators

דוטי הקוונטים הקולואידיים (CQDs) המבוססים על קדמיום סלנדיד (CdSe) ו-cesium להוביל halide perovskites (CsPbX3, שבו X=Cl, Br, I) הופיעו כ- תזמון גבוה של ביצועים גבוהים (NVET) הופך צוות ב- US המחלקה הלאומית ארגונון דיווחו כי CbcfremFremgates 10N) של זמן קצר יותר מ-NVTernbnbnbnbnbnbsp; 000 גבוה יותר מ-NUMFrepTERNUMS (N) הופך את ה-NERNUMTERNUMTERNER (N) ל-TERS) ל-TERC.comTERDNERNUMTERNUMTERSERSTERSTERCERSTERSDERDNUMTERDERDNUMTER (NUMTERSTERS) ל-TERSTERST) ל-N) ל-TUMTUM DUS) ל-TERNUMTERCERCER

פחמן ננופס ו-Gatephene Electrodes

ננו-חומרים מבוססי פחמן משמשים לא כמדיום זיהוי ראשוני, אלא כאלקטרודות ושכבות מטען המטען. nanotubes פחמן חד-בסיסי (SWCNTs) וגרףטן מציעים מוליכות חשמלית גבוהה, שקיפות אופטית וגמישות מכנית.כאשר משמשים אלקטרודות שקוף בספירות סנדטור-פוטטור-פוטטור, הם יכולים לשפר את האור מחוץ לקליטה ולהפחית את הספגמנטיקה של חוקרים מכניים ב- CARTFI יותר:

Metal-Organic Frameworks (MOFs) ו-Colle Polymers

מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs) הן חומרים גבישיים המורכבים מעמודי מתכת המחוברים על ידי קישורים אורגניים, ויצרו רשתות ⁇ עם נקבוביות ננומטריות. MOFs יכול להיות פונקציונלי עם צחמות אורגניות מתפתלות או אשכולות כבדים של מתכת כדי ליצור גלאי דופק היברידיים המשלבים זיהום גבוה (עבור radon גז) עם העברה יעילה של אנרגיה, אשר קרינת ALTF, להבדיל בין רכיבי COF מבוססי תכונות חדשות המבוססים על ידי מערכת ההפעלה:

Perovskite ננוקריסטלים לזיהוי ישיר

מוביל hal perovskite ננוקריסטלs, כגון CsPbBr3 ו FAPbI3 (FA = Formamidinium), משכה עניין אינטנסיבי לגילוי רנטגן ישיר בשל המספר האטומי הגבוה שלהם (כוח לעצור גבוה), גישה גבוהה ניידות חיים המוצר, ופתרון יעילות. בשנת 2022, צוות של המכון הפדרלי השוויצרי לטכנולוגיה (ETH ציריך) דיווח על נפח נמוך של 10D2C2D) גבוה יותר מאשר גלאי אבטחה גבוהה יותר של גלאי אבטחה גבוהה יותר מ- 10.

יישומים מתפתחים בתעשיות

טיפול רפואי ורדיותרפיה

גלאיות מבוססות ננו-חומריים נועדו להפוך הדמיה רפואית.ברדיוגרפיה דיגיטלית ו- tomography (CT), גלאי המרה הישירים המבוססים על nanocrystals או ZnO nanowires יכולים להפחית את המינון של קרינה המטופל תוך שמירה על איכות תמונה.עבור pET ו- photon-carial coputed tomography (SP), קוונטי do scillat dot עם זמני ניקוי מהירים של זמן, שיפור זמני ניקוי גמיש, טיפול תרופתי.

ביטחון גרעיני ומאבטחים

גלאיים מוחזקים ליישומים של ביטחון המולדת דורשים רגישות גבוהה, צריכת חשמל נמוכה, וגודל קומפקטי. גלאיים מבוססי ננו-חוט ניתן לשלב בתוך מכשירים חסומים כי מתחרים על הביצועים של מכשירים גדולים יותר, גדולים יותר, גדולים יותר. תא ההיגוי מבוסס פחמן הוכח עבור זיהוי נויטרונים, שבו ננו-בוטיקים מצופים עם בורון 10 או ליתיום-6 כדי להמיר נויטרונים תרמיים חלקיקים אלה הםשמונים במהירות גבוהה.

פיקוח סביבתי וכיבוש

גילוי גז ראדון הוא קריטי לאיכות האוויר הפנימית ובטיחות הכיבוש במכרות ובמתקנים תת-קרקעיים.גלאים המבוססים על גדלים מותאמים של pore יכולים באופן סלקטיבי מודעות של פטל תוך דחיית התערבות מהלחות וגזים אחרים.בנוסף, דו-מטרים על בסיס סרטי ננו-חומר גמישים יכולים לעקוב אחר חשיפה מתמדת של עובדים בתחנות כוח גרעיניות, מעבדות מחקר, מתקנים רפואיים.

חקר החלל וההתחילה של הלוויין

Detectors פרוס בחלל חייב לסבול מינונים גבוהים של קרינה קוסמית, תנודות טמפרטורה קיצונית, ותנאים ואקום. Nanocrystalline יהלום ו-Giaium nitride (GaN) nanowires הוכיחו יציבות יוצאת דופן תחת קרינה חלל מדומה.המסה הקטנה שלהם נפח גם להפחית את עלויות ההשקה של נאס"א וסוכנות החלל האירופית (ESA) מממנו מספר פרויקטים של גלאי חומר ל מדידות רוחיות, קוסמיות, ניטור קוסמיים, וטכנולוגיות פחמן דו-מרוסים, על ידי נאס"ל, על ידי נאס"ל, על גבי מאדים, על גבי קרינת החלל של נאס"א 1.

אתגרים וכיוונים עתידיים

ייצור עקביות ו Scalability

אחד החסמים העיקריים לאימוץ מסחרי הוא הקושי לייצר ננו-חומרים בגודל עקבי, צורה, והרכב על פני קבוצות גדולות.ריאציות בקוטר חלקיקים של רק 1-2 nm יכול לשנות את אורך הגל הפליטה של דואטים קוונטיים על ידי עשרות ננומטרים, המשפיעים על הביצועים הגלאיים.התקדמות בסינתזה קולואידית, כולל כורים מיקרו-קלידיים ועצמיים אוטומטיים, הם מתמודדים עם אתגרים מורכבים אלה, אך ורק לקצבי-אווירה-אווירה-אווירה, אך ורק כדי לספק שיטות צמיחה גבוהות מאוד.

יציבות לטווח ארוך וגמישות

ננו-חומרים רבים – במיוחד perovskites ו היברידיות אורגניות-inorganic – רגישים להשפלה מהלחות, חמצן וחשיפה ממושכת לקרינה. טכניקות מעבר פני השטח, כגון ציפוי דוטים קוונטיים עם פגזים רחבים פסאגפ (למשל, ZnS על CdS) או encapsulating perovskite nanocrys בפולימרים, יש שיפור משמעותי בתנאי הדמיה קריטיים, אך הם זקוקים לבדיקות הדמיה לטווח ארוך.

אינטגרציה עם Readout Electronics

גלאי ננו חומריים חייבים ממשק עם אלקטרוניקה לקריאה קונבנציונלית - ממריצים, אנלוגיים-ל-דיגיטליים, ויחידות עיבוד נתונים.האימפולס הגבוה של מערך nanowire ואת הזרמים הנמוכים שנוצרו על ידי חלקיקים בודדים דורשים מודולים נמוכים-נוכי, גבוה-gain אלקטרוניקה לפני-end.מונוליטי של ננו-חומרים עם מעגלים CMOS הוא אזור פעיל של מחקר, כולל גישות ממושכות-מדומים-מדומים-מחדשים מתקדמים.

סובלנות והשפעה סביבתית

ננו-חומרים מסוימים, במיוחד אלה המכילים עופרת (למשל, perovskite קוונטי dots) או קדמיום (למשל, CdSe), להעלות חששות לגבי רעילות במהלך הייצור, השימוש, וההגבלות. מסגרות רגולטוריות כגון הרישום של האיחוד האירופי, הערכה, אישור והגבלות של כימיקלים (REACH) כופים מגבלות חמורות על חומרים מסוכנים.

סטנדרט ומטרופולין

כדי להקל על השוואה בין מערכות ננו-חומריות שונות ולהאיץ את העברת הטכנולוגיה, פרוטוקולי מדידה סטנדרטיים נדרשים.פרמטרים כגון רגישות, יעילות זיהוי, פתרון אנרגיה, ותגובה זמנית יש למדוד בתנאים עקביים.ארגונים כולל המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) וועדת אלקטרו-טקאנית הבינלאומית (IEC) פועלים לפיתוח סטנדרטים עבור גלאי קרינה המבוססים על ננו-חומר.

מסקנה

ננומטריס מציעים פלטפורמה טרנספורמטיבית לדור הבא של גלאי קרינה.יחסי פני השטח הגבוהים שלהם, גודל בגודל של תכונות אלקטרוניות אופטיות, והתאמה עם תת-שכבות גמישות מאפשרות למכשירים רגישים יותר, מהירים יותר, קומפקטיים יותר, ועמידים יותר מאשר חלופות קונבנציונליות כבר נעשות בהפגנת ממירים ישירים מבוססי ננו-מתוחכמים, הקוונטים dottttttttttttttintilla, אלקטרו-Fdes-מולקולאריכים, ו-מולקולנועים, עם כמה יישומים מסחריים, פחמן-מולקולאריכים.

עם זאת, הנתיב מתוצאות פריצת דרך מעבדה לפריסת שוק הוא לא ללא מכשולים.הייצור עקביות, יציבות ארוכת טווח, שילוב עם אלקטרוניקה, בטיחות סביבתית נשאר אזורים פעילים של מחקר.כתובת אתגרים אלה תדרוש השקעה מתמשכת במדעי הסינתאזה, הנדסה המכשיר ומודולולוגיה זיהוי סטנדרטית.כפי שחסמים אלה להתגבר, גלאיים המבוססים על חומרים אלה צפויים למצוא שימוש נרחב יותר הדמיה רפואית, אבטחה גרעינית, ניטור סביבתי, ואווירה, ואווירה, ואווירה, אשר ישארוכים מתקדמים יותר חומרים חדשים של חומרים כימיים, לפני כן, אשר קיימים, אשר קיימים, אשר קיימים, אשר קיימים יותר חומרים מתקדמים יותר, אשר קיימים, אשר קיימים, אשר קיימים, אשר קיימים יותר חומרים כימיים מורכבים יותר, אשר קיימים, עם חומרים מתקדמים יותר, אשר קיימים, עם חומרים כימיים מורכבים, אשר קיימים, עם חומרים כימיים מורכבים יותר, אשר קיימים, אשר קיימים, אשר קיימים, עם חומרים מתקדמים יותר, אשר קיימים, אשר קיימים, חומרים כימיים, אשר קיימים, לפני כן, חומרים כימיים מורכבים יותר, אשר קיימים יותר, חומרים מתקדמים יותר, חומרים מתקדמים יותר, אשר קיימים, חומרים כימיים, אשר קיימים, אשר קיימים, לפני כן, חומרים חדשים של חומרים חדשים של חומרים מתקדמים יותר, אשר קיימים, חומרים מתקדמים יותר, חומרים מתקדמים יותר