(© romaset – stock.adobe.com)
THUWAL, Arab Saudi — Siapa pun yang pernah pergi ke dokter gigi pasti ingat momen mengerikan itu ketika seorang teknisi mengenakan rompi timah tebal dan berlari keluar ruangan untuk mengambil rontgen. Untungnya, akhirnya ada cara yang lebih aman untuk melakukan pemindaian ini tanpa paparan radiasi.
Sebuah tim peneliti di Universitas Sains dan Teknologi King Abdullah (KAUST) mungkin telah memecahkan kode untuk mempertahankan pencitraan berkualitas tinggi dengan paparan radiasi yang lebih sedikit. Mereka telah mengembangkan teknik baru yang secara drastis dapat menurunkan dosis radiasi yang diperlukan untuk pencitraan sinar-X tanpa mengurangi kualitas gambar.
Penelitian tersebut dipublikasikan di jurnal Ilmu Pusat ACSmerinci bagaimana para peneliti merekayasa “rangkaian” perangkat kristal tunggal yang saling berhubungan untuk menciptakan detektor sinar-X dengan kinerja yang meningkat secara signifikan dibandingkan metode tradisional.
“Kemajuan ini mengurangi batas deteksi dan membuka jalan bagi pencitraan medis dan pemantauan industri yang lebih aman dan hemat energi,” kata Omar F. Mohammed, penulis studi tersebut, dalam rilis media. “Ini menunjukkan bahwa perangkat rekayasa kaskade meningkatkan kemampuan kristal tunggal dalam deteksi sinar-X.”
Inovasi utamanya terletak pada konfigurasi kaskade, yang melibatkan penyambungan beberapa perangkat kristal tunggal secara seri. Pengaturan ini memungkinkan detektor untuk mempertahankan arus sinyal yang sama yang dihasilkan oleh paparan sinar-X sekaligus mengurangi “arus gelap” yang tidak diinginkan yang berkontribusi terhadap kebisingan latar belakang.
Biasanya, detektor sinar-X kesulitan membedakan sinyal sinar-X yang sebenarnya dari kebisingan latar belakang, sehingga memaksa profesional medis menggunakan dosis radiasi yang lebih tinggi untuk mendapatkan gambar yang dapat digunakan. Namun, pendekatan kaskade yang dikembangkan oleh tim KAUST mengatasi masalah ini, mengurangi ambang deteksi dari 590 nanograys per detik (nGy/s) dengan perangkat kristal tunggal konvensional menjadi hanya 100 nGy/s.
Untuk menguji perangkat kaskade, para peneliti menggunakan kristal tunggal perovskit metilammonium timbal bromida (MAPbBr3), bahan yang relatif baru yang menunjukkan harapan besar untuk deteksi sinar-X karena sifat pengangkutan muatannya yang sangat baik. Mereka membuat empat kristal MAPbBr3 yang identik dan menghubungkannya secara seri, menciptakan perangkat berlabel SC1, SC1-2, SC1-3, dan SC1-4 untuk mencerminkan jumlah kristal yang mengalir.
Melalui serangkaian percobaan, tim menunjukkan bahwa konfigurasi kaskade secara konsisten mengungguli perangkat kristal tunggal. SC1-2 tidak hanya menunjukkan batas deteksi terendah, namun juga mencapai resolusi spasial tertinggi sebesar 8,5 pasangan garis per milimeter – jauh lebih baik daripada 5,6 lp/mm yang dicapai oleh perangkat SC1 kristal tunggal.
Yang penting, para peneliti memvalidasi bahwa metode kaskade mereka bekerja pada tegangan dan ketebalan material yang berbeda, serta untuk material semikonduktor lain seperti kadmium tellurida (CdTe). Keserbagunaan ini menunjukkan bahwa teknik ini dapat diterapkan secara luas di bidang deteksi sinar-X.
Dengan potensi untuk mentransformasi diagnostik medis, detektor sinar-X rekayasa kaskade yang dikembangkan oleh tim KAUST mewakili langkah maju yang signifikan dalam upaya mengurangi paparan radiasi tanpa mengurangi kualitas gambar. Dengan memanfaatkan sifat unik bahan perovskit dan pendekatan teknik yang cerdas, para peneliti ini telah membuka jalan baru untuk teknologi sinar-X yang lebih aman dan efektif.
Ringkasan Makalah
Metodologi
Para peneliti menumbuhkan kristal tunggal perovskit MAPbBr3 berkualitas tinggi menggunakan metode kristalisasi yang dikontrol suhu. Mereka memilih empat kristal identik, masing-masing berukuran 3 x 3 mm dengan ketebalan 2 mm, dan melakukan karakterisasi komprehensif terhadap sifat struktural, optik, dan elektroniknya untuk memastikan kinerja yang konsisten di seluruh sampel.
Untuk menguji konfigurasi kaskade, tim menghubungkan empat kristal MAPbBr3 secara seri, menciptakan perangkat dengan satu kristal berjenjang (SC1), dua (SC1-2), tiga (SC1-3), dan empat (SC1-4). Mereka kemudian mengarahkan perangkat ini ke berbagai tingkat dosis sinar-X dan mengukur kinerjanya dalam hal arus gelap, arus sinyal, sensitivitas, rasio signal-to-noise (SNR), dan resolusi spasial.
Hasil Utama
Pendekatan kaskade menunjukkan keuntungan yang signifikan dibandingkan perangkat kristal tunggal (SC1). Arus gelap SC1-2 hampir setengah dari SC1, dan tren ini berlanjut seiring dengan semakin banyaknya kristal yang ditambahkan secara seri, dengan SC1-4 menunjukkan arus gelap terendah.
Batas deteksi, yang mewakili dosis sinar-X terendah yang dapat dideteksi dengan andal, juga ditingkatkan secara drastis pada perangkat kaskade. SC1-2 mencapai batas deteksi 100 nGy/s, pengurangan enam kali lipat dibandingkan dengan batas 590 nGy/s pada perangkat SC1 kristal tunggal.
Keterbatasan Studi
Penelitian ini terbatas pada ukuran sampel yang relatif kecil dari empat kristal tunggal MAPbBr3, meskipun para peneliti menunjukkan keserbagunaan pendekatan kaskade dengan mengujinya juga menggunakan kristal tunggal CdTe. Selain itu, konfigurasi kaskade dengan tiga atau lebih kristal menunjukkan beberapa penurunan kinerja, kemungkinan besar disebabkan oleh peningkatan resistensi dan penurunan efisiensi transfer muatan pada sambungan seri yang lebih panjang.
Diskusi & Kesimpulan
Detektor sinar-X berjenjang yang dikembangkan oleh tim KAUST mewakili kemajuan signifikan dalam bidang pencitraan sinar-X dosis rendah. Dengan memanfaatkan sifat unik bahan perovskit dan pendekatan teknik yang cerdas, para peneliti mampu secara dramatis meningkatkan rasio signal-to-noise dan batas deteksi detektor sinar-X tanpa mengurangi sensitivitas atau resolusi spasial.
Kemampuan konfigurasi kaskade untuk mempertahankan arus sinyal sekaligus mengurangi arus gelap merupakan inovasi utama yang memungkinkan peningkatan kinerja ini. Pendekatan ini dapat mempunyai implikasi luas pada pencitraan medis, pemeriksaan keamanan, dan aplikasi lain yang mengutamakan meminimalkan paparan radiasi.
Yang penting, para peneliti menunjukkan keserbagunaan metode kaskade mereka, menunjukkan bahwa metode ini dapat diterapkan pada bahan semikonduktor dan konfigurasi perangkat yang berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa teknik ini dapat diadopsi dan disesuaikan secara luas untuk memenuhi berbagai kebutuhan deteksi sinar-X dosis rendah.
Pendanaan & Pengungkapan
Pekerjaan ini didukung oleh Universitas Sains dan Teknologi King Abdullah (KAUST). Para penulis menyatakan tidak ada kepentingan finansial yang bersaing.
