DE102016205818A1

DE102016205818A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Detektieren von Röntgenstrahlung

Info

Publication number: DE102016205818A1
Application number: DE102016205818.5A
Authority: DE
Inventors: Patric Büchele; Rene Fischer; Oliver Schmidt; Sandro Francesco Tedde
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2016-04-07
Publication date: 2017-10-12
Also published as: US20170293037A1; CN107272045A

Abstract

Die Erfindung stellt eine Detektionsvorrichtung (10; 20; 30; 40; 50; 60) zum Detektieren von Röntgenstrahlung bereit, mit einer zwischen einer unteren Elektrode (12) und einer mittleren Elektrode (14; 21) angeordneten unteren Schicht (13), wobei die untere Schicht (13) mindestens einen ersten Perowskit aufweist und wobei zwischen der unteren Elektrode (12) und der mittleren Elektrode (14; 21) eine erste Spannung anlegbar ist; einer zwischen einer oberen Elektrode (16) und der mittleren Elektrode (14; 21) angeordneten oberen Schicht (15), wobei die obere Schicht (15) mindestens einen zweiten Perowskit aufweist und wobei zwischen der oberen Elektrode (16) und der mittleren Elektrode (14; 21) eine zweite Spannung anlegbar ist; und einer Auswerteeinrichtung (17), welche mit der oberen Schicht (15) und der unteren Schicht (13) gekoppelt ist und welche dazu ausgebildet ist, eine Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit dem ersten Perowskit und eine Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit dem zweiten Perowskit zu detektieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Detektionsvorrichtung zum Detektieren von Röntgenstrahlung, ein Herstellungsverfahren für eine Detektionsvorrichtung zum Detektieren von Röntgenstrahlung und ein Verfahren zum Detektieren von Röntgenstrahlung.
Stand der Technik
Röntgendetektoren finden Verwendung in vielfältigen Bereichen. Beispielsweise wird in der industriellen Fertigung Röntgenstrahlung zum Testen von Materialien mittels Non-Destructive Testing (NDT) eingesetzt, wobei Röntgenstrahlung mit Energien von einigen Megaelektronenvolt (MeV) zum Einsatz kommt.
Eine wichtige Rolle spielen Röntgendetektoren auch in der medizinischen Diagnostik, wobei die verwendeten Energien der Röntgenstrahlung typischerweise in einem Bereich von etwa 20 bis 120 Kiloelektronenvolt (keV) liegen. Die untersuchten Substanzen weisen unterschiedliche Röntgenabsorptionsspektren auf. So unterscheidet sich beispielsweise die Absorptionsfähigkeit von Knochen, Weichteilen oder Gewebe in verschiedenen Energiebereichen deutlich voneinander. Um den Patienten keiner übermäßigen und unnötigen Strahlenbelastung auszusetzen, wird die Dosis der Röntgenstrahlung typischerweise derart ausgewählt, dass das Röntgenbild nur Strukturen einer bestimmten Kategorie erfasst, etwa Knochen oder Weichteile. Die Energie der verwendeten Röntgenstrahlung wird somit in demjenigen Bereich gewählt, welche von der zu untersuchenden Struktur besonders stark absorbiert wird.
Vielfach ist es jedoch auch erforderlich, Informationen über die gesamte Zusammensetzung des zu bestrahlenden Objektes zu erhalten. Um nun beispielsweise sowohl Knochen als auch Gewebe zu erfassen, kann Röntgenstrahlung in verschiedenen Energiebereichen verwendet werden. Bei der sogenannten Dual-Röntgen-Absorptiometrie (Dual Energy X-ray Absorptiometry, DEXA) werden zwei unterschiedliche Aufnahmen mit verschiedenen Röntgenenergien gemacht. Hierzu ist es üblich, mehrere Detektoren zu stapeln. Eine derartige Anordnung von mehreren Detektoren mit jeweils unterschiedlichen Energiebereichen ist etwa aus der US 8,488,736 B2 bekannt. Durch Kombination der Bilder kann verhindert werden, dass das Röntgenbild über- bzw. unterbelichtete Teile aufweist.
Durch das Stapeln von Detektoren ist es möglich, mit einer einzigen Röntgenquelle, welche Röntgenstrahlung in unterschiedlichen Energiebereichen aussendet, Bilder anhand der in den jeweiligen Energiebereichen durchgelassenen Strahlung zu erstellen. Hierzu wird jedoch eine Vielzahl von jeweils eigenständigen Detektoren benötigt. Es besteht daher ein Bedarf an Detektionsvorrichtungen mit kompaktem Aufbau.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Detektionsvorrichtung zum Detektieren von Röntgenstrahlung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Herstellungsverfahren für eine Detektionsvorrichtung zum Detektieren von Röntgenstrahlung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und ein Verfahren zum Detektieren von Röntgenstrahlung mittels einer Detektionsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung demnach eine Detektionsvorrichtung zum Detektieren von Röntgenstrahlung. Die Detektionsvorrichtung umfasst eine zwischen einer unteren Elektrode und einer mittleren Elektrode angeordnete untere Schicht, wobei die untere Schicht mindestens einen ersten Perowskit aufweist und wobei zwischen der unteren Elektrode und der mittleren Elektrode eine erste elektrische Spannung anlegbar ist. Weiter umfasst die Detektionsvorrichtung eine zwischen einer oberen Elektrode und der mittleren Elektrode angeordnete obere Schicht, wobei die obere Schicht mindestens einen zweiten Perowskit aufweist und wobei zwischen der oberen Elektrode und der mittleren Elektrode eine zweite Spannung anlegbar ist. Die Detektionsvorrichtung umfasst weiter eine Auswerteeinrichtung, welche mit der oberen Schicht und der unteren Schicht gekoppelt ist und welche dazu ausgebildet ist, eine Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit dem ersten Perowskit und eine Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit dem zweiten Perowskit zu detektieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung demnach ein Herstellungsverfahren für eine Detektionsvorrichtung zum Detektieren von Röntgenstrahlung, wobei eine untere Schicht, welche mindestens einen ersten Perowskit aufweist, auf einem Substrat angeordnet wird. Weiter wird eine mittlere Elektrode zwischen der unteren Schicht und einer oberen Schicht angeordnet, wobei die obere Schicht mindestens einen zweiten Perowskit aufweist. Eine obere Elektrode wird auf einer der mittleren Elektrode abgewandten Seite der oberen Schicht angeordnet. Weiter wird eine untere Elektrode auf einer der mittleren Elektrode abgewandten Seite der unteren Schicht angeordnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Detektieren von Röntgenstrahlung mittels einer Detektionsvorrichtung. Die Auswerteeinrichtung der Detektionsvorrichtung detektiert hierbei Röntgenstrahlung anhand einer Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit dem ersten Perowskit und/oder dem zweiten Perowskit.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Die Detektionsvorrichtung stellt vorteilhafterweise mindestens zwei Schichten mit Perowskiten bereit, welche zum Detektieren von Röntgenstrahlung geeignet sind. Sind die obere Schicht und die untere Schicht unterschiedlich ausgebildet, so erlaubt die Detektionsvorrichtung die Auswertung verschiedener Energiebereiche. Die Detektionsvorrichtung ist somit zur Dual-Röntgen-Absorptiometrie verwendbar, wobei jedoch gleichzeitig ein sehr kompakter Aufbau möglich ist. So dient die mittlere Elektrode als eine gemeinsame Elektrode zusammen mit der unteren bzw. oberen Elektrode. Somit wird ein Stapelaufbau ermöglicht, durch den mehrere Absorptionsschichten kombiniert werden können. Eine Verwendung von mehreren voneinander unabhängigen Röntgendetektoren ist nicht mehr notwendig. Die Detektionsvorrichtung zeichnet sich weiter durch ihre einfache und kostengünstige Herstellungsweise aus. Es sei darauf hingewiesen, dass ein Dual-Röntgen-Kontrast auch bestimmt werden kann, wenn die obere und die untere Schicht aus dem gleichen Material bestehen. Bevorzugt ist jedoch die Ausbildung mit verschiedenen Materialien, da dadurch eine höhere Energiediskriminierung erreicht werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der zweite Perowskit in einem ersten Energiebereich eine höhere Absorptionsrate auf als der erste Perowskit. Der erste Perowskit weist in einem zweiten Energiebereich, welcher höher ist als der erste Energiebereich, also folglich höhere Energien umfasst, eine höhere Absorptionsrate auf als der zweite Perowskit. Die obere und untere Schicht unterscheiden sich somit in den Absorptionseigenschaften, und sind somit zur Detektion von Röntgenstrahlen in verschiedenen Energiebereichen ausgebildet. Tritt die Röntgenstrahlung beispielsweise zuerst in die obere Schicht ein, so wird Röntgenstrahlung bevorzugt in dem ersten Energiebereich absorbiert. Anschließend tritt die verbleibende Röntgenstrahlung in die untere Schicht ein und wird dort bevorzugt in dem zweiten Energiebereich absorbiert. Besonders bevorzugt weist dabei der erste Energiebereich eine geringere Energie auf als der zweite Energiebereich, da energieärmere Röntgenstrahlung im Allgemeinen stärker absorbiert wird und die entsprechend ausgelegte Absorptionsschicht der Strahlquelle zugewandt sein sollte.
Durch Verwendung von verschiedenen Perowskiten ist es möglich, die Schichtdicke der oberen bzw. unteren Schicht zu minimieren. Hierdurch ist einerseits ein kompakterer Aufbau möglich. Hierdurch kann auch die benötigte Stärke der an die Elektroden angelegten Spannung verringert werden. Weiter bietet eine geringe Schichtdicke dahingehend einen Vorteil, dass die Strecke der Ladungsträger, welche diese zu den Elektroden zurücklegen müssen, reduziert wird, wodurch Verluste durch Rekombination verringert werden können. Die Genauigkeit der Detektionsvorrichtung wird somit erhöht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt der erste Energiebereich zwischen 15 und 30 Kiloelektronenvolt (keV). Der zweite Perowskit absorbiert also besonders gut energiearme bzw. weiche Röntgenstrahlung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt der zweite Energiebereich zwischen 50 und 120 keV. Der erste Perowskit absorbiert also besonders gut energiereiche bzw. harte Röntgenstrahlung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Detektionsvorrichtung ist eine Dicke der oberen Schicht kleiner als eine Dicke der unteren Schicht. Trifft Röntgenstrahlung auf die Detektionsvorrichtung, so gelangt die Röntgenstrahlung vorzugsweise zuerst durch die obere Elektroden in die obere Schicht und wechselwirkt hierbei mit dem zweiten Perowskit. Somit wird vorzugsweise weiche Röntgenstrahlung, das heißt Röntgenstrahlung mit niedriger Energie, in der oberen Schicht absorbiert und detektiert. Anschließend tritt die verbleibende Röntgenstrahlung durch die mittlere Elektrode und gelangt in die untere Schicht mit dem ersten Perowskit und wird dort absorbiert sowie detektiert. Somit dient die obere Schicht der Detektierung von weicher Röntgenstrahlung, das heißt von Röntgenstrahlung mit einer geringeren Energie, während die untere Schicht der Detektierung von harter Röntgenstrahlung, das heißt Röntgenstrahlung mit einer höheren Energie, dient.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Detektionsvorrichtung sind die obere Elektrode und/oder die untere Elektrode strukturiert und mittels einer Matrixschaltung an die Auswerteeinrichtung angeschlossen, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, die Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit dem ersten Perowskit und/oder die Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit dem zweiten Perowskit ortsaufgelöst zu detektieren. Die Pixel der oberen und unteren Schicht können dabei die gleiche Größe aufweisen, aber auch unterschiedlich groß sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Auswerteeinrichtung ein Array von Transistoren und einen Analog-zu-Digital-Wandler auf, so dass die Ladungsträger entsprechend der Pixelierung der Elektroden ortsaufgelöst digitalisiert werden können.
Das ortsaugelöste Röntgenbild des oberen Detektors und des unteren Detektors kann dann mit bekannten Algorithmen des Stand der Technik zu einander registriert werden und das kombinierte Bild als „Röntgen-Farbbild“ dargestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Detektionsvorrichtung ist zwischen der oberen Schicht und der oberen Elektrode und/oder zwischen der oberen Schicht und der mittleren Elektrode, und/oder zwischen der unteren Schicht und der mittleren Elektrode und/oder zwischen der unteren Schicht und der unteren Elektrode eine Beschichtung mit mindestens einem Loch-blockierenden Material und/oder mindestens einem Elektronen-blockierenden Material ausgebildet. Dadurch kann der Dunkelstrom bzw. Grund- oder Leckstrom verkleinert werden, welcher auch bei Abwesenheit von Röntgenstrahlung zwischen der mittleren Elektrode und der oberen Elektrode bzw. der mittleren Elektrode und der unteren Elektrode fließt. Dadurch kann das Rauschen reduziert werden und die Genauigkeit der Detektionsvorrichtung verbessert werden. Insbesondere bei einem Einsatz im medizinischen Bereich ist dies von Vorteil, da die verwendete Dosis somit reduziert werden kann und der Patient einer geringeren Strahlenbelastung ausgesetzt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Detektionsvorrichtung sind die obere Elektrode und/oder die untere Elektrode strukturiert und mittels einer Matrixschaltung mit der Auswerteeinrichtung gekoppelt, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, die Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit dem ersten Perowskit und/oder die Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit dem zweiten Perowskit ortsaufgelöst zu detektieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Detektionsvorrichtung weist die Auswerteeinrichtung eine Vielzahl von Auswerteeinheiten auf, wobei die obere Elektrode und/oder die untere Elektrode strukturiert sind und eine Vielzahl von oberen Elektrodenelementen (Pixel) bzw. unteren Elektrodenelemente (Pixel) aufweisen, welche mit jeweils einer der Vielzahl von Auswerteeinheiten gekoppelt sind. Hierdurch können die Elektrodenelemente simultan und in hoher Taktrate ausgelesen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung umfasst die mittlere Elektrode einen Röntgenfilter. Der Röntgenfilter ist hierbei ein Filter, welcher dazu ausgelegt ist, einen vorgegebenen Energiebereich der Röntgenstrahlen herauszufiltern. Somit werden Röntgenstrahlen, welche nach der Absorption in der oberen Schicht noch verbleiben vor dem Durchgang zur unteren Schicht zuerst gefiltert. Beispielsweise kann ein Übergangsbereich zwischen harter und weicher Strahlung herausgefiltert werden, so dass der Kontrast erhöht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens umfasst das Substrat die untere Elektrode. Die Detektionsvorrichtung wird somit kompakt hergestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Herstellungsverfahrens umfasst das Anordnen der mittleren Elektrode zwischen der oberen Schicht und der unteren Schicht das Anordnen einer unteren leitfähigen Schicht auf der unteren Schicht. Weiter wird eine obere leitfähige Schicht auf der oberen Schicht angeordnet. Schließlich wird die untere leitfähige Schicht mit der oberen leitfähigen Schicht mittels einer leitfähigen Zwischenschicht verbunden, wobei die mittlere Elektrode die untere leitfähige Schicht, die leitfähige Zwischenschicht und die obere leitfähige Schicht umfasst. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Detektionsvorrichtung parallelisiert hergestellt werden kann. So werden untere und obere Hälften der Detektionsvorrichtung unabhängig voneinander hergestellt, welche jeweils die untere bzw. obere Elektrode und untere bzw. obere Schicht sowie die untere bzw. obere leitfähige Schicht umfassen. Der obere Teil der Detektionsvorrichtung wird anschließend mittels der leitfähigen Zwischenschicht mit dem unteren Teil der Detektionsvorrichtung verbunden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Herstellungsverfahrens wird die obere und/oder die untere Schicht durch Aufheizen und/oder Ausüben von Druck verdichtet. Dadurch kann ein kompakterer und homogenerer Aufbau erzielt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Herstellungsverfahrens wird zwischen der oberen Schicht und der oberen Elektrode und/oder zwischen der oberen Schicht und der mittleren Elektrode, und/oder zwischen der unteren Schicht und der mittleren Elektrode und/oder zwischen der unteren Schicht und der unteren Elektrode eine Beschichtung mit mindestens einem Loch-blockierenden Material und/oder mindestens einem Elektronen-blockierenden Material ausgebildet.
Beschreibung der Figuren
In den Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Weiter dient die Nummerierung von Verfahrensschritten der Übersichtlichkeit und soll, sofern nicht anders angegeben, keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. So können mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden. Des Weiteren sind verschiedene Ausführungsformen im Allgemeinen beliebig miteinander kombinierbar.
Es zeigen:
1 eine schematische Illustration zur Erläuterung von direkter Röntgenkonversion;
2 eine schematische Illustration zur Erläuterung von indirekter Röntgenkonversion;
3 eine Querschnittsansicht einer Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ein Kristallgitter eines Perowskits;
5 die Abhängigkeit des Massenschwächungskoeffizienten von der Röntgenenergie für eine Vielzahl beispielhafter Perowskite;
6 eine Querschnittsansicht einer Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 bis 9 schematische Schaltbilder von Detektionsvorrichtungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
10 eine Querschnittsansicht einer Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
11 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für eine Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
Röntgendetektoren basieren üblicherweise auf zwei verschiedenen Prinzipien, nämlich direkter Röntgenkonversion sowie indirekter Röntgenkonversion. Bei der in 1 illustrierten direkten Röntgenkonversion wird ein Röntgenphoton 1 innerhalb eines Halbleiters 2 absorbiert und durch Konversion der Energie des Röntgenphotons 1 ein Elektron-Loch-Paar 7, 8 erzeugt. Zwischen Elektroden 4 wird ein elektrisches Feld angelegt, so dass sich das Elektron 7 zur einen Elektrode 4 bewegt und das Loch 8 zu einer gegenüberliegenden Elektrode 4. Das erzeugte Elektron-Loch-Paar 7, 8 kann somit an den Elektroden 4 ausgelesen werden. Beispielsweise wird hierbei amorphes Selen verwendet. Auch Siliziumdioden sind zur Detektion von direkter Röntgenkonversion geeignet.
Bei der in 2 gezeigten indirekten Röntgenkonversion wird das Röntgenphoton 1 in einer Szintillatorschicht 5 absorbiert, welche Strahlung 6 mit geringerer Energie abgibt, welche mit Photodetektoren 3, beispielsweise Photodioden, detektiert werden können.
Die Szintillatorschicht umfasst beispielsweise Gd₂O₂S oder CsI mit unterschiedlichen Dotierstoffen wir Terbium, Thallium, Europium, etc.
In 3 ist eine Detektionsvorrichtung 10 zum Detektieren von Röntgenstrahlung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. Die Detektionsvorrichtung 10 weist eine untere Schicht 13 auf, welche einen ersten Perowskit aufweist. Vorzugsweise besteht die untere Schicht 13 vollständig aus dem ersten Perowskit.
Der erste Perowskit liegt vorzugsweise als Kristall vor und kann Materialien vom Typ ABX₃ und/oder AB₂X₄ umfassen. Ein typisches Kristallgitter eines Perowskits des Typs ABX₃ ist in 4 illustriert.
Hierbei ist A beispielsweise mindestens ein ein-, zwei- und/ oder dreiwertiges, positiv geladenes Element ab der 4. Periode des Periodensystems oder eine Mischung daraus, umfasst also auch die 5., 6. und 7. Periode einschließlich der Lanthanoide und Actinoide, wobei die 4. Periode des Periodensystems mit K beginnt und die Übergangsmetalle ab Sc umfasst. Vorzugsweise ist A in den obigen Formeln eines der Elemente Sn, Ba, Pb, Bi oder Mischungen daraus.
B stellt ein beispielsweise einwertiges Kation dar, dessen Volumenparameter bei dem jeweiligen Element A der Perowskitgitterbildung genügt. Hierbei sind die entsprechenden Volumenparameter für die Perowskitgitterbildung hinreichend bekannt, sowohl theoretisch wie auch aus beispielsweise röntgenkristallografischen Untersuchungen, ebenso wie die Volumenparameter von einwertigen Kationen und den unter A definierten Kationen. Somit kann das entsprechende einwertige Kation B nach Bestimmung der Elemente A und ggf. X geeignet bestimmt werden, beispielsweise anhand von Computermodellen sowie ggf. einfacher Versuche.
B stellt in den obigen Formeln bevorzugt eine einwertige, aminogruppenhaltige, positiv geladene Kohlenstoffverbindung dar, wobei eine Kohlenstoffverbindung eine Verbindung ist, die mindestens ein Kohlenstoffatom aufweist und somit organische wie auch anorganische Verbindungen umfasst. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist B ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Amidiniumionen, Guanidiniumionen, Isothiuroniumionen, Formamidiniumionen, sowie primären, sekundären, tertiären und/oder quarternierten organischen Ammoniumionen, welche besonders bevorzugt 1 bis 10 Kohlenstoffatome, insbesondere 1 bis 4 Kohlenstoffatome, aufweisen, wobei es sich um aliphatische, olefinische, cycloaliphatische und/oder aromatische Kohlenstoffverknüpfungen handeln kann.
X ist beispielsweise ausgewählt aus den Anionen von Halogeniden und Pseudohalogeniden und ist bevorzugt ausgewählt aus den Anionen Chlorid, Bromid und Iodid sowie Mischungen derselben. Es können also beispielsweise auch verschiedene Halogenidionen in den Perowskiten enthalten sein, jedoch ist gemäß bestimmten Ausführungsformen nur ein Halogenidion wie beispielsweise Iodid enthalten.
Materialien der allgemeinen Formel ABX₃ und AB₂X₄ können insbesondere im Perowskitgitter kristallisieren, wenn A ein 2-wertiges Element ab der 4. Periode im PSE ist, B ein beliebiges einwertiges Kation, dessen Volumenparameter bei dem jeweiligen Element A der Perowskitgitterbildung genügt, und X den Halogenidanionen Iodid, Bromid oder Chlorid bzw. Gemischen daraus entspricht. Es ist erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen, dass in der Detektionsschicht sowohl Perowskite der allgemeinen Formel ABX₃ als auch der allgemeinen Formel AB₂X₄ vorliegen, jedoch können auch nur Perowskite gemäß einer der beiden Formeln vorliegen, beispielsweise ABX₃.
Beispielsweise geeignet als Perowskite sind die im molaren Verhältnis gemischten Materialien:

– CH₃-NH₃I:PbI₂ = Pb CH₃NH₃I₃
– CH₃-CH₂-NH₃I:PbI₂ = PbCH₃NH₃I₃
– HO-CH₂-CH₂-NH₃:PbI₂ = PbHO-CH₂-CH₂-NH₃I₃
– Ph-CH₂-CH₂-NH₃I:PbI₂ = Pb(Ph-CH₂-CH₂-NH3)₂I₄

Als intrinsischer bzw. undotierter Perowskit (i-Perowskit) gilt beispielsweise das bekannte Material, das aus Methylammonium-iodid und Blei-II-iodid gebildet wird (MAPbI₃).
Durch Variation des Substitutionsmusters der Ammoniumkomponente kann das gebildete Perowskit durch eine Donorfunktion stärker p-leitend bzw. durch eine Akzeptorfunktion stärker n-leitend ausgeführt werden.
Der erste Perowskit kann somit auch aus n- und p-dotierten Perowskitpulvern gewonnen werden (n-Perowskit oder p-Perowskit).
Der erste Perowskit kann undotiert oder dotiert sein und kann homogen oder heterogen mono- oder polykristallin anfallen.
Materialien, Moleküle und Methoden die eine Dotierung von Perowskiten ermöglichen, sind beispielsweise wie folgt beschrieben: Salzmischungen, die in einer Perowskitstruktur kristallisieren sind durch ihre Molekülgeometrie determiniert. Für die Anwendung solcher Materialien in Detektoren, wie Röntgendetektoren, setzt dies Schwermetallsalzmischungen, die im Perowskitgitter kristallisieren, voraus.
Ammoniumsalze als B (umfassend Halogenide wie Cl^–, Br^–, I^–), welche die p-Leitung erhöhen, sind z.B. 2-Methoxyethylammoniumhalogenid, 4-Methoxybenzylammoniumhalogenid, Amidiniumhalogenid, S-Methylthiuroniumhalogenid, N,N-Dimethylhydraziniumhalogenid, N,N-Diphenylhydraziniumhalogenid, Phenylhydraziniumhalogenid und Methylhydraziniumhaligenid.
Ammoniumsalze als B (umfassend Halogenide wie Cl^–, Br^–, I^–), welche die n-Leitung erhöhen, sind z.B. Cyanomethylammoniumhalogenid, 2-Cyanoethylammoniumhalogenid und 4-Cyanobenzylammoniumhalogenid.
Weiter umfassen n- oder p-Perowskite auch alle anderen donor- bzw. akzeptorfunktionalisierten Salzstrukturen, die die Geometrieanforderungen von Perowskiten erfüllen und mit den Kationen, beispielsweise Schwermetallionen, in der Perowskit-Kristallstruktur kristallisieren.
Die Detektionsvorrichtung 10 umfasst weiter eine obere Schicht 15, welche mindestens einen zweiten Perowskit aufweist. Der zweite Perowskit kann einer der oben beschriebenen Perowskite sein. Der erste Perowskit unterscheidet sich von dem zweiten Perowskit vorzugsweise in den Absorptionseigenschaften.
In 5 ist der Massenschwächungskoeffizient µ/ρ für verschiedene Perowskite als Funktion der Energie E der Röntgenstrahlen aufgetragen. Hierbei ist ersichtlich, dass verschiedene Perowskite in unterschiedlichen Energiebereichen bzw. Energiefenstern unterschiedlich stark absorbieren.
Vorzugsweise weist der zweite Perowskit in einem ersten Energiebereich eine höhere Absorptionsrate auf als der erste Perowskit. Der erste Energiebereich liegt beispielsweise zwischen 15 und 30 keV, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 30 keV. Der zweite Perowskit absorbiert somit weiche bzw. energiearme Strahlung stärker als der erste Perowskit.
Weiter weist der erste Perowskit vorzugsweise in einem zweiten Energiebereich, welcher höher ist als der erste Energiebereich, eine höhere Absorptionsrate auf als der zweite Perowskit. Der zweite Energiebereich liegt beispielsweise zwischen 50 und 120 keV, vorzugsweise zwischen 70 und 100 keV. Der erste Perowskit absorbiert somit harte bzw. energiereiche Strahlung stärker als der zweite Perowskit.
Vorzugsweise ist der zweite Perowskit hierbei CH₃NH₃PbBr₃, und der erste Perowskit ist vorzugsweise CH₃NH₃SnI₃.
Weiter ist zwischen der oberen Schicht und der unteren Schicht 13 eine mittlere Elektrode 14 angeordnet. Schließlich ist eine obere Elektrode 16 auf einer der mittleren Elektrode 14 abgewandten Seite der oberen Schicht 15 angeordnet und eine untere Elektrode 12 auf einer der mittleren Elektrode 14 abgewandten Seite der unteren Schicht 13 angeordnet. Als Elektrodenmaterialien der oberen Elektrode 16, mittleren Elektrode 14 und unteren Elektrode 12 können hierbei Metalle, zum Beispiel Au, Ag, Pt, Cu, Al, Cr, Mo, Pb, W usw., oder Mischungen oder Legierungen aus Metallen verwendet werden. Elektrodenmaterialien können auch leitfähige Oxide oder Metalloxide, beispielsweise ITO, AZO und/oder leitfähige Polymere, zum Beispiel PEDOT oder PEDOT:PSS verwendet werden. Die untere Elektrode 12 ist auf einem optionalen unteren Substrat 11 angeordnet.
Das untere Substrat 11, die untere Elektrode 12, die untere Schicht 13, die mittlere Elektrode 14, die obere Schicht 15 und die obere Elektrode 16 bilden eine erste Schichtstruktur 19a. Die obere Elektrode 16 bildet vorzugsweise eine Eintrittsseite der Röntgenstrahlung 1, das heißt die Röntgenstrahlung tritt zuerst durch die obere Elektrode 16 in die obere Schicht 15, wechselwirkt dort zumindest teilweise mit dem zweiten Perowskit, und tritt anschließend durch die mittlere Elektrode 14 in die untere Schicht 13 ein, und wechselwirkt dort mit dem ersten Perowskit.
Die Detektionsvorrichtung 10 weist weiter eine Spannungsquelle 31 auf, welche dazu ausgebildet ist, zwischen der unteren Elektrode 12 und der mittleren Elektrode 14 bzw. der oberen Elektrode 16 und der mittleren Elektrode 14 eine erste Spannung bzw. zweite Spannung anzulegen.
Weiter umfasst die Detektionsvorrichtung 10 eine Auswerteeinrichtung 17, welche mit der oberen Schicht 15 über die obere Elektrode 16 gekoppelt ist und mit der unteren Schicht 13 über die untere Elektrode 12 und das untere Substrat 11 gekoppelt ist. Die Auswerteeinrichtung 17 ist dazu ausgebildet, eine Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit dem ersten Perowskit in der unteren Schicht 13 und eine Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit dem zweiten Perowskit in der oberen Schicht 15 zu detektieren. Die Auswerteeinrichtung 17 kann hierbei beispielsweise dazu ausgebildet sein, einen Strom zwischen der oberen Elektrode 16 und der mittleren Elektrode 14 und/oder der mittleren Elektrode 14 und der unteren Elektrode 12 zu messen und anhand des gemessenen Stroms die Wechselwirkung zu detektieren. Der Strom kann etwa durch die oben beschriebene direkte Konversion entstanden sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Dicke der oberen Schicht 15 kleiner als eine Dicke der unteren Schicht 13.
Vorzugsweise ist die obere Schicht 15 bzw. die untere Schicht 13 derart ausgelegt, dass ein jeweilig vorgegebener Energiebereich zu mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 70 %, am meisten bevorzugten mindestens 90 % absorbiert wird. Beispielsweise ist eine Schichtdicke der oberen Schicht 15, welche zum Absorbieren von weicher Strahlung ausgebildet ist, zwischen 10 µm und 100 µm. Vorzugsweise ist eine Schichtdicke der unteren Schicht 13, welche zum Absorbieren von harter Strahlung ausgebildet ist, zwischen 100 µm und 1000 µm.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die mittlere Elektrode 14 einen Röntgenfilter auf. Hierdurch können gewisse Energiebereiche der Röntgenstrahlung herausgefiltert werden und somit der Kontrast zwischen Bildern, welche anhand der in der oberen Schicht 15 detektierten Röntgenstrahlen erzeugt werden, und Bildern, welche anhand der in der unteren Schicht 13 detektierten Röntgenstrahlen erzeugt werden, erhöht werden. Beispielsweise kann der Röntgenfilterdazu ausgebildet sein, Röntgenstrahlen in einem Energiebereich unter 50 keV zu filtern. Die mittlere Elektrode 14 kann hierzu mit einer zusätzlichen filternden Schicht beschichtet sein oder aus einem filternden Material ausgebildet sein.
In 6 ist eine Detektionsvorrichtung 20 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. Zusätzlich ist hierbei die obere Elektrode 16 an einem oberen Substrat 18 angeordnet. Weiter umfasst die mittlere Elektrode 21 eine an der oberen Schicht 15 angeordnete obere leitfähige Schicht 24, eine an der unteren Schicht 13 angeordnete untere leitfähige Schicht 22 und eine die obere leitfähige Schicht 24 und die untere leitfähige Schicht 22 verbindende leitfähige Zwischenschicht 23. Die obere leitfähige Schicht 22, die leitfähige Zwischenschicht 23 und die untere leitfähige Schicht 22 können hierbei aus demselben Material oder aus verschiedenen Materialien bestehen, insbesondere aus einem der oben beschriebenen Elektrodenmaterialien.
Das untere Substrat 11, die untere Elektrode 12, die untere Schicht 13, die mittlere Elektrode 21, die obere Schicht 15, die obere Elektrode 16 und das obere Substrat 18 bilden eine zweite Schichtstruktur 19b.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist bei der Schichtstruktur 19 zwischen der unteren Schicht 13 und der unteren Elektrode 12 und/oder zwischen der oberen Schicht 15 und der oberen Elektrode 16 und/oder zwischen der unteren Schicht 13 und der mittleren Elektrode und/oder zwischen der oberen Schicht 15 und der mittleren Elektrode 14 mindestens eine Schicht mit mindestens einem Loch-blockierenden Material und/oder mindestens einem Elektronen-blockierenden Material ausgebildet. Insbesondere kann mindestens eine der Elektroden 12, 14, 16 beschichtet sein. Weiter kann mindestens eine der Elektroden 12, 14, 16 von beiden Seiten beschichtet sein, wobei dieselben oder verschiedene Materialien verwendet werden können.
Als Loch-blockierendes bzw. Elektronen-leitendes Material können organische Halbleiter, insbesondere PCBM, verwendet werden. Als Elektronen-blockierendes bzw. Loch-leitendes Material können organische Halbleiter, wie PEDOT:PSS, P3HT, MDMO-PPV, MEH-PPV oder TFB verwendet werden. Hierdurch wird der Übergang von der aktiven oberen Schicht 15 bzw. unteren Schicht 13 zu der oberen Elektrode 16 bzw. unteren Elektrode 12 oder zur mittleren Elektrode 14 und somit die Kontaktierung verbessert. Zusätzlich wird die Injektion von Ladungsträgern von den Elektroden reduziert und damit der Leckstrom bzw. Dunkelstrom in Sperrrichtung verringert.
Vorzugsweise können eine oder mehrere Zwischenschichten umfassend p-Perowskite und/oder n-Perowskite und/oder i-Perowskite zwischen mindestens einer Elektrode und der unteren Schicht 13 bzw. oberen Schicht 15 angeordnet werden. Insbesondere können p-n Übergänge ausgebildet werden um somit ein Loch-blockierendes bzw. Elektronen-blockierendes Material bereitzustellen. Die Anzahl, Anordnung und Dicke der Zwischenschichten ist nicht beschränkt.
Handelt es sich bei der Elektrode 12, 14, 16, an welcher die Schicht angeordnet wird, um eine Anode, so wird vorzugsweise ein Elektronen-blockierendes Material verwendet und handelt es sich bei der Elektrode 12, 14, 16 um eine Kathode, so wird vorzugsweise ein Loch-blockierendes Material verwendet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können Kontakte derart mit einem Elektronen-blockierenden Material und/oder einem Loch-blockierenden Material beschichtet sein, dass die Schichtfolge die Funktionsweise einer Röntgendiode erhält. Als „Röntgendiode“ wird hierbei eine Struktur mit einer Funktionsweise bezeichnet, welche der Funktionsweise einer Photodiode unter Beleuchtung mit sichtbarem Licht entspricht. Beim Anlegen einer positiven Spannung an die Röntgendiode kann ein großer Strom fließen, während die Röntgendiode beim Anlegen einer negativen Spannung sperrt und nur ein geringer Dunkelstrom nachweisbar ist. Durch die Beleuchtung der Röntgendiode mit Röntgenstrahlung werden Ladungsträger in der Röntgendiode erzeugt und der Sperrstrom steigt an. Das Maß des Anstiegs ist weitestgehend proportional zur Intensität der einfallenden Röntgenstrahlung. Somit kann die Rektifikation (rectification) bzw. das Sperrverhalten der Röntgendiode verbessert werden.
Eine Röntgendiode kann beispielsweise durch die obere Schicht 15, die obere Elektrode 16, sowie eine zwischen der oberen Schicht 15 und der oberen Elektrode 16 ausgebildete Beschichtung gebildet werden. Die Beschichtung besteht hierbei aus einem Elektronen-blockierenden Material und/oder einem Loch-blockierenden Material, so dass der Strom in Sperrrichtung reduziert wird. Die obere Schicht 15, welche den zweiten Perowskit umfasst, ist hierbei vorzugsweise elektrisch leitend.
Eine Röntgendiode kann auch durch die untere Schicht 13, die untere Elektrode 12, sowie eine zwischen der unteren Schicht 13 und der unteren Elektrode 12 ausgebildete Beschichtung gebildet sein.
Die untere Elektrode 12, die mittlere Elektrode 14 und die obere Elektrode 16 sind somit vorzugsweise derart beschichtet, dass ein rektifizierender Kontakt zustande kommt.
Beispielsweise kann die mittlere Elektrode 14 als Anode ausgeführt werden und beidseitig mit einem Elektronen-blockierenden Material beschichtet sein (z.B. TFB). Auf diese Weise wird die Injektion von Elektronen in die untere Schicht 13 und die obere Schicht 15 unterbunden. Weiter übernimmt in diesem Beispiel die obere Elektrode 16 und die untere Elektrode 12 jeweils die Funktion der Kathode und ist jeweils mit einem Loch-blockierendem Material, z.B. PCBM, beschichtet. Dadurch wird die Injektion von Löchern von der Kathode in die untere Schicht 13 und die obere Schicht 15 unterbunden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können Kontakte derart mit einem Elektronen-blockierenden Material und/oder einem Loch-blockierenden Material beschichtet sein beschichtet sein, dass die Schichtfolge die Funktionsweise eines Röntgenleiters erhält. Der Begriff „Röntgenleiter“ bezeichnet hierbei eine Struktur mit einer Funktionsweise, welche der Funktionsweise eines Photoleiters bzw. Photowiderstands entspricht. Unabhängig von der Polung der angelegten Spannung fließt im Röntgenleiter nur ein geringer Dunkelstrom. Durch die Bestrahlung mit Röntgenphotonen steigt der Strom im Röntgenleiter an. Der Anstieg kann zur Quantifizierung der einfallenden Röntgenstrahlung genutzt werden.
Ein derartiger Röntgenleiter kann beispielsweise durch die obere Schicht 15 und die obere Elektrode 16 gebildet werden, wobei die obere Schicht 15 vorzugsweise hochresistiv ist, folglich einen hohen elektrischen Widerstand aufweist. Ein Röntgenleiter kann auch durch die untere Schicht 13 und die untere Elektrode 12 gebildet werden, wobei die untere Schicht 13 vorzugsweise hochresistiv ist, folglich einen hohen elektrischen Widerstand aufweist.
In den 7, 8 und 9 sind schematische Schaltbilder von Detektionsvorrichtungen 30, 40, 50 gemäß weiteren Ausführungsformen illustriert.
Die in 7 illustrierte Detektionsvorrichtung 30 weist eine Schichtstruktur 19 auf, welche die mittlere Elektrode 14 sowie eine obere Röntgendiode 33 und eine untere Röntgendiode 32 aufweist. Die obere Röntgendiode 33 kann, wie oben beschrieben, aus der oberen Schicht 15, der oberen Elektrode 16, sowie einer zwischen der oberen Schicht 15 und der oberen Elektrode 16 ausgebildeten Beschichtung bestehen. Die untere Röntgendiode 32 kann aus der unteren Schicht 13, der unteren Elektrode 12, sowie einer zwischen der unteren Schicht 13 und der unteren Elektrode 12 ausgebildeten Beschichtung bestehen.
Die Schaltsymbole für die Röntgendioden 33, 32 sind hierbei nur schematisch zu verstehen und stellen den entsprechenden Schichtaufbau dar.
Die obere Röntgendiode 33 ist dazu ausgebildet, Ladungsträger, welche aufgrund von Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit dem zweiten Perowskit der oberen Schicht 15 entstehen, zu einer Auswerteeinrichtung 17 zu transportieren. Die untere Röntgendiode 32 ist dazu ausgebildet, Ladungsträger, welche aufgrund einer Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit dem ersten Perowskit in der unteren Schicht 13 entsteht, zu der Auswerteeinrichtung 17 zu transportieren. Die Auswerteeinrichtung 17 ist dazu ausgebildet, eine Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit dem ersten Perowskit und eine Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit dem zweiten Perowskit zu detektieren. Die Detektionsvorrichtung 30 ist somit als ein dualer Röntgendetektor ausgebildet.
In 8 ist eine Detektionsvorrichtung 40 gemäß einer weiteren Ausführungsform illustriert. Anstelle der oberen Röntgendiode 33 und der unteren Röntgendiode 32 der in 7 illustrierten Detektionsvorrichtung 30 umfasst die Schichtstruktur 19 einen oberen Röntgenleiter 43 und einen unteren Röntgenleiter 42, welche mit einer entsprechenden Auswerteeinrichtung 17 gekoppelt sind. Die Schaltsymbole für die Röntgenleiter 43, 42 sind wiederum nur schematisch zu verstehen und stehen für den entsprechenden Schichtaufbau.
In 9 ist eine Detektionsvorrichtung 50 gemäß einer weiteren Ausführungsform illustriert. Hierbei sind die untere Elektrode 12 und die obere Elektrode 16 strukturiert, so dass zusammen mit der großflächigen mittleren Elektrode 14 und der großflächigen oberen Schicht 15 bzw. unteren Schicht 13 eine Vielzahl von unteren Röntgendioden 32 und eine Vielzahl von oberen Röntgendioden 33 entstehen.
Eine Auswerteeinrichtung 17 ist dabei so ausgelegt, dass sie die unteren Röntgendioden 32 und die oberen Röntgendioden 33 unabhängig voneinander auslesen kann, folglich die Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit dem ersten Perowskit und die Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit dem zweiten Perowskit ortsaufgelöst detektieren kann. Vorzugsweise sind die obere Elektrode 16 und die untere Elektrode 12 mittels einer Matrixschaltung an die Auswerteeinrichtung 17 angeschlossen. Die Detektionsvorrichtung 50 ist somit dazu ausgelegt, die Röntgenstrahlung, welche mit dem zweiten Perowskit in der oberen Schicht 15 bzw. mit dem ersten Perowskit in der unteren Schicht 13 wechselwirkt, ortsaufgelöst zu detektieren. Die Detektionseinrichtung 50 ist dadurch für ein bildgebendes Verfahren ausgelegt. Während die Anordnung der unteren Röntgendioden 32 bzw. oberen Röntgendioden 33 eindimensional illustriert ist, sind die unteren Röntgendioden 32 bzw. oberen Röntgendioden 33 vorzugsweise zweidimensional, insbesondere Array-förmig an der Schichtstruktur 19 angeordnet, um somit ein zweidimensionales Bild generieren zu können.
Anstelle der Vielzahl der unteren Röntgendioden 32 und der Vielzahl der oberen Röntgendioden 33 können auch untere Röntgenleiter 42 bzw. obere Röntgenleiter 43 verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Detektionsvorrichtung 50 eine Vielzahl von separat kontaktierbaren oberen Elektroden 16 bzw. unteren Elektroden 12. Diese können vorzugsweise pixeliert bzw. arrayförmig angeordnet sein. Hierbei ist jede der oberen Röntgendioden 33 mit einer separaten oberen Auswerteeinrichtung und jeder der unteren Röntgendioden 32 mit einer separaten unteren Auswerteeinrichtung verbunden. Diese Konfiguration findet beispielsweise in einem Computertomographen Einsatz, bei dem die generierten Ladungen in jedem Pixel zeitgleich und mit hoher Taktrate erfasst werden müssen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das untere Substrat 11 bzw. das obere Substrat 18 pixelierte Kontakte aufweisen. Das untere Substrat 11 bzw. das obere Substrat 18 können ein TFT-Array aufweisen, welches beispielsweise aus metalloxidischen Materialien auf einer Glasplatte oder flexiblen Polymerfolie bestehen kann. Weiter können die pixelierten Kontakte mit einer TFT-Matrix (TFT-Array), mit ASICs oder diskreten Schaltungen verbunden sein um ein sequentielles Auslesen der einzelnen Pixel zu ermöglichen.
10 zeigt eine Detektionsvorrichtung 60 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Hierbei sind die obere Elektrode 101 sowie die untere Elektrode 103 strukturiert, sodass eine Vielzahl von vorzugsweise arrayförmig angeordneten kontaktierbaren oberen Elektrodenelementen 100 bzw. unteren Elektrodenelementen 102 (Pixeln) gebildet werden. Vorzugsweise kann die Detektionsvorrichtung 60 wiederum zusätzliche Beschichtungen aufweisen. Insbesondere können somit die in 9 illustrierten oberen Röntgendioden 33 und unteren Röntgendioden 32 gebildet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann hierbei die Auswerteeinrichtung 17 eine Vielzahl von Auswerteeinheiten aufweisen. Jede der oberen Elektrodenelemente 100 bzw. unteren Elektrodenelemente 102 ist mit einer der Auswerteeinheiten gekoppelt. Die Auswerteeinheiten können vorzugsweise die Pixel separat auslesen, das heißt eine Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit dem ersten Perowskit bzw. eine Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit dem zweiten Perowskit im Bereich des entsprechenden oberen Elektrodenelements 100 bzw. unteren Elektrodenelements 102 detektieren und entsprechende Daten erzeugen. Die erzeugten Daten können vorzugsweise anschließend von der Auswertevorrichtung 17 kombiniert und gemeinsam ausgewertet werden.
In 11 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für eine Detektionsvorrichtung zum Detektieren von Röntgenstrahlung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung illustriert. In einem ersten Schritt S1 wird eine untere Schicht 13, welche mindestens einen ersten Perowskit aufweist, auf einem unteren Substrat 11 angeordnet. Das Anordnen der unteren Schicht 13 kann hierbei ein Bereitstellen und Verteilen eines ersten Pulvers umfassen, welches das erste Perowskit aufweist.
In einem zweiten Schritt S2 wird eine mittlere Elektrode zwischen einer oberen Schicht 15 und der unteren Schicht 13 angeordnet, wobei die obere Schicht 15 mindestens einen zweiten Perowskit aufweist. Das Anordnen der oberen Schicht 15 kann das Bereitstellen und Verteilen eines zweiten Pulvers umfassen, welches das zweite Perowskit aufweist. Vorzugsweise wird das zweite Pulver auf der mittleren Elektrode 14 bereitgestellt und verteilt.
Hierbei wird eine obere Elektrode 16 auf einer Seite der oberen Schicht angeordnet, welche der mittleren Elektrode abgewandt ist, und eine untere Elektrode wird auf einer Seite der unteren Schicht 13 angeordnet, welche der mittleren Elektrode abgewandt ist.
Hierbei kann entweder vor oder nach dem Anordnen der oberen Elektrode 16 und der unteren Elektrode 12 die obere Schicht 15 und/oder die untere Schicht 13 durch Aufheizen und/oder Ausüben von Druck in einem Sinterschritt verdichtet werden. Die Temperatur des Sinterschritts liegt beispielsweise zwischen 30 und 300°C, bevorzugt zwischen 50 und 200 °C. Der angewendete Druck liegt beispielsweise zwischen 0,1 und 10.000 MPa, bevorzugt zwischen 0,5 und 200 MPa und besonders bevorzugt zwischen 1 und 50 MPa. Die Sinterzeit liegt beispielsweise zwischen 0,1 s und 60 min, bevorzugt zwischen 1 s und 30 min und besonders bevorzugt zwischen 5 und 10 min.
Hierdurch kann beispielsweise eine in 3 gezeigte Detektionsvorrichtung 10 hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zwischen der oberen Schicht 15 und der oberen Elektrode 16, und/oder zwischen der oberen Schicht 14 und der mittleren Elektrode 14, und/oder zwischen der unteren Schicht 13 und der mittleren Elektrode 14, und/oder zwischen der unteren Schicht 13 und der unteren Elektrode 12 eine Beschichtung mit mindestens einem Loch-blockierenden Material und/oder mindestens einem Elektronen-blockierenden Material ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Anordnen der mittleren Elektrode 21 zwischen der oberen Schicht 15 und der unteren Schicht 13 mehrere Schritte. Somit wird zuerst eine untere leitfähige Schicht 22 auf der unteren Schicht 13 angeordnet. Weiter wird eine obere leitfähige Schicht 24 auf der oberen Schicht 15 angeordnet. Die untere leitfähige Schicht 22 wird mit der oberen leitfähigen Schicht 22 mittels einer leitfähigen Zwischenschicht 23 verbunden, wobei die mittlere Elektrode 21 die untere leitfähige Schicht 22, die leitfähige Zwischenschicht 23 und die obere leitfähige Schicht 24 umfasst.
Derart kann beispielsweise die in 6 illustrierte Detektionsvorrichtung 20 hergestellt werden. Beispielsweise können unabhängig voneinander einerseits die untere Elektrode 12 auf dem unteren Substrat 11, die untere Schicht 13 auf dem unteren Substrat 12 und die untere leitfähige Schicht 22 auf der unteren Schicht 13 angeordnet werden, andererseits die obere Elektrode 16 auf dem oberen Substrat 18, die obere Schicht 15 auf der oberen Elektrode 16 und die obere leitfähige Schicht 24 auf der oberen Schicht 15 angeordnet werden. Diese unabhängig voneinander hergestellten Elemente können dann mittels der leitfähigen Zwischenschicht 23 insbesondere durch Verkleben oder durch einen Hitzeschritt miteinander verbunden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können das untere Substrat 11 und/oder das obere Substrat 18 in einem weiteren Verfahrensschritt wieder entfernt werden und gegebenenfalls durch ein anderes Substrat, beispielsweise ein TFT-Array, ersetzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die mittlere Elektrode als Substrat verwenden. Beispielsweise kann als mittlere Elektrode ein Blech verwendet werden, welches vorzugsweise eine Dicke von einigen Millimetern aufweist, und damit gleichzeitig noch die Funktion eines Röntgenfilters übernehmen kann.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere können eine beliebige Vielzahl von Perowskitschichten übereinander gestapelt werden, wobei zwischen jeweils zwei Perowskitschichten mindestens eine Elektrode angeordnet wird.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Detektieren von Röntgenstrahlung mittels einer der oben illustrierten Detektionsvorrichtungen. Hierbei detektiert die Auswerteeinrichtung Röntgenstrahlung anhand einer Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit dem ersten Perowskit und/oder dem zweiten Perowskit. Die Detektionsvorrichtung kann hierbei zum Erfassen von dem Vorliegen von Röntgenstrahlung ausgebildet sein. Die Detektionsvorrichtung kann jedoch auch zum Erzeugen von Röntgenbildern, das heißt zum Erfassen eines ortsaufgelösten Bildes ausgebildet sein, beispielsweise mittels einer Vielzahl von Röntgendioden 32, 33 oder Röntgenleitern 42, 43.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8488736 B2 [0004]

Claims

Detektionsvorrichtung (10; 20; 30; 40; 50; 60) zum Detektieren von Röntgenstrahlung, mit: einer zwischen einer unteren Elektrode (12) und einer mittleren Elektrode (14; 21) angeordneten unteren Schicht (13), wobei die untere Schicht (13) mindestens einen ersten Perowskit aufweist und wobei zwischen der unteren Elektrode (12) und der mittleren Elektrode (14; 21) eine erste Spannung anlegbar ist; einer zwischen einer oberen Elektrode (16) und der mittleren Elektrode (14; 21) angeordneten oberen Schicht (15), wobei die obere Schicht (15) mindestens einen zweiten Perowskit aufweist und wobei zwischen der oberen Elektrode (16) und der mittleren Elektrode (14; 21) eine zweite Spannung anlegbar ist; und einer Auswerteeinrichtung (17), welche mit der oberen Schicht (15) und der unteren Schicht (13) gekoppelt ist und welche dazu ausgebildet ist, eine Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit dem ersten Perowskit und eine Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit dem zweiten Perowskit zu detektieren. Detektionsvorrichtung (10; 20; 30; 40; 50; 60) nach Anspruch 1, wobei der zweite Perowskit in einem ersten Energiebereich eine höhere Absorptionsrate als der erste Perowskit aufweist; und wobei der erste Perowskit in einem zweiten Energiebereich, welcher höher ist als der erste Energiebereich, eine höhere Absorptionsrate als der zweite Perowskit aufweist. Detektionsvorrichtung (10; 20; 30; 40; 50; 60) nach Anspruch 2, wobei der erste Energiebereich zwischen 15 und 30 keV liegt.
Detektionsvorrichtung (10; 20; 30; 40; 50; 60) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der zweite Energiebereich zwischen 50 und 120 keV liegt.
Detektionsvorrichtung (10; 20; 30; 40; 50; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Dicke der oberen Schicht (15) kleiner ist als eine Dicke der unteren Schicht (13).
Detektionsvorrichtung (10; 20; 30; 40; 50; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen der oberen Schicht (15) und der oberen Elektrode (16), und/oder zwischen der oberen Schicht (15) und der mittleren Elektrode (14), und/oder zwischen der unteren Schicht (13) und der mittleren Elektrode (14), und/oder der unteren Schicht (13) und der unteren Elektrode (12) eine Beschichtung mit mindestens einem Loch-blockierenden Material und/oder mindestens einem Elektronen-blockierenden Material ausgebildet ist.
Detektionsvorrichtung (10; 20; 30; 40; 50; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die obere Elektrode (16) und/oder die untere Elektrode (12) strukturiert sind und mittels einer Matrixschaltung mit der Auswerteeinrichtung (17) gekoppelt sind, wobei die Auswerteeinrichtung (17) dazu ausgebildet ist, die Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit dem ersten Perowskit und/oder die Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit dem zweiten Perowskit ortsaufgelöst zu detektieren.
Detektionsvorrichtung (10; 20; 30; 40; 50; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinrichtung (17) eine Vielzahl von Auswerteeinheiten aufweist, und wobei die obere Elektrode (16) und/oder die untere Elektrode (12) strukturiert sind und eine Vielzahl von oberen Elektrodenelementen (100) bzw. unteren Elektrodenelemente (102) aufweisen, welche mit jeweils einer der Vielzahl von Auswerteeinheiten gekoppelt sind.
Detektionsvorrichtung (10; 20; 30; 40; 50; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mittlere Elektrode einen Röntgenfilter umfasst.
Herstellungsverfahren für eine Detektionsvorrichtung zum Detektieren von Röntgenstrahlung, mit den Schritten: Anordnen (S1) von einer unteren Schicht (13), welche mindestens einen ersten Perowskit aufweist, auf einem Substrat; Anordnen (S2) von einer mittleren Elektrode (14; 21) zwischen der unteren Schicht (13) und einer oberen Schicht (15), wobei die obere Schicht (15) mindestens einen zweiten Perowskit aufweist; wobei eine obere Elektrode (16) auf einer Seite der oberen Schicht (15) angeordnet wird, welche der mittleren Elektrode (14; 21) abgewandt ist, und wobei eine untere Elektrode (12) auf einer Seite der unteren Schicht (13) angeordnet wird, welche der mittleren Elektrode (14; 21) abgewandt ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, wobei das Substrat die untere Elektrode (12) umfasst.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei das Anordnen der mittleren Elektrode (14; 21) zwischen der oberen Schicht (21) und der unteren Schicht (13) folgende Schritte umfasst: Anordnen einer unteren leitfähigen Schicht (22) auf der unteren Schicht (13); Anordnen einer oberen leitfähigen Schicht (24) auf der oberen Schicht (15); und Verbinden der unteren leitfähigen Schicht (22) mit der oberen leitfähigen Schicht (24) mittels einer leitfähigen Zwischenschicht (23), wobei die mittlere Elektrode (21) die untere leitfähige Schicht (22), die leitfähige Zwischenschicht (23) und die obere leitfähige Schicht (24) umfasst.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die obere Schicht (15) und/oder die untere Schicht (13) durch Aufheizen und/oder Ausüben von Druck verdichtet werden.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei zwischen der oberen Schicht (15) und der oberen Elektrode (16), und/oder zwischen der oberen Schicht (15) und der mittleren Elektrode (14), und/oder zwischen der unteren Schicht (13) und der mittleren Elektrode (14), und/oder der unteren Schicht (13) und der unteren Elektrode (12) eine Beschichtung mit mindestens einem Loch-blockierenden Material und/oder mindestens einem Elektronen-blockierenden Material ausgebildet wird.
Verfahren zum Detektieren von Röntgenstrahlung mittels einer Detektionsvorrichtung (10; 20; 30; 40; 50; 60) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Auswerteeinrichtung Röntgenstrahlung anhand einer Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit dem ersten Perowskit und/oder dem zweiten Perowskit detektiert und Röntgenbilder erzeugt.