平面栅极氧化锌纳米线冷阴极平板X射线源及其在断层合成成像中的应用

《Applied Surface Science》：Planar-gate zinc oxide nanowire cold cathode flat-panel X-ray source for tomosynthesis imaging

　　

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  开发了一种真空密封的平面栅极ZnO纳米线冷阴极FPXS。
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  实现了稳定的栅极控制寻址，剂量率和能谱满足成像要求。
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  单元可寻址驱动实现了空间编码的X射线投影成像。
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  基于CABI的断层合成显示出高速静态CT成像的潜力。

引言

冷阴极因其瞬时开关能力、低功耗以及在极端条件下的高稳定性，作为传统热阴极的替代方案受到了广泛关注[1]，[2]，[3]。在过去十年中，一维（1D）冷阴极纳米结构材料因其高场增强因子、低开启场和优异的发射电流稳定性，作为众多场发射器件（如平板光源、X射线源、光电探测器和场发射显示器）的候选材料受到了深入研究[4]，[5]，[6]，[7]。在这些一维纳米结构材料中，氧化锌（ZnO）纳米线凭借其易于、均匀且可控的制备、可靠稳定性以及大面积场发射阵列（FEAs）优异的场发射性能，被确认为一种极具前景的材料[8]，[9]，[10]。对于高性能冷阴极X射线源的应用，需要在大面积玻璃衬底上均匀合成ZnO纳米线[11]。近期研究表明，热氧化技术是一种经济高效的、大面积的制备方法，具有良好的结晶性，能够在低于玻璃衬底熔点的温度下合成均匀的ZnO纳米线[12]，[13]。Wang等人报道了一种采用热氧化方法制备的4.7×4.7 cm²面积的ZnO纳米线场发射阵列，用于大电流应用。该器件表现出高达12.9 mA的场发射电流，电流密度为0.58 mA/cm²，并展现了优异的发射稳定性[14]。Zhang等人通过将ZnO纳米线冷阴极集成到ZnS光导体中，制备了一种平板光电探测器，用于宽范围光检测[15]。该光电探测器表现出卓越的光响应性能及光谱响应特性，同时ZnO纳米线也是采用热氧化方法在大面积玻璃衬底上制备的。

栅极结构器件对于实现可寻址发射和控制发射电流至关重要，这对于可寻址平板X射线源（FPXS）等应用具有重要意义。将ZnO纳米线集成到栅极结构中是一项具有挑战性的任务，需要采用与纳米线生长相容的合适栅极结构。近年来提出了几种栅极结构[16]，[17]，[18]。Cao等人报道了一种具有面内聚焦栅极电极的同心栅极ZnO纳米线FEAs。该器件能够有效调制发射电流，并表现出优异的寻址能力[19]。随后，他们开发了一种真空密封的冷阴极可寻址FPXS器件，并将其应用于X射线投影成像[20]。Kang等人开发了一种利用ZnO纳米线FEAs和氧化铟锡（ITO）透明阳极的平面栅极透明FPXS。该器件表现出良好的寻址能力和均匀发射，在2.5小时内阳极电流密度波动仅为5.8%，最大阳极电流密度达到884 μA/cm²，在40 kV阳极电压下产生的X射线剂量率为5.76 mGy/s[21]。研究已经表明，栅极结构设计直接影响ZnO纳米线栅极场发射阵列的电子发射特性。

冷阴极FPXS有望实现紧凑型成像系统，从而推动更高效、更小型化的CT机的开发。例如，Wu等人提出了一种新型静态CT系统——平板可寻址纳米线冷阴极静态（FANS）CT扫描仪，该系统采用低成本、紧凑型且具有快速切换能力的FPXS。该系统可改善图像质量并可视化动态过程，如在数值和临床数据集上进行的实验所示[22]。Wu等人提出了一种带有微阵列阳极靶的冷阴极FPXS，用于Talbot–Lau光栅干涉CT，消除了对源光栅G0的需求。与传统的Talbot–Lau GI相比，该系统的X射线光子利用效率提高了153.05%，提供了噪声更低的三对比度图像[23]。这凸显了冷阴极技术通过提高空间分辨率、降低辐射剂量以及为医疗和工业成像应用提供更灵活的平台来革新X射线成像的潜力。因此，开发满足成像应用要求的栅极结构可寻址FPXS是实现高效、低成本、紧凑型全静态CT成像的关键。

本研究报道了一种具有32个独立可寻址发射单元的真空密封平面栅极ZnO纳米线冷阴极FPXS。在该结构中，阴极和栅极电极采用梳状电极交叉配置排列，通过栅极驱动实现多单元的电控发射，为可编码线形单元X射线产生提供了可行途径。实验中，通过单元选择性可寻址成像和单调递增的阳极电流-栅极电压（I_a-V_g）特性验证了可靠的栅极控制寻址。此外，逐单元可寻址投影成像和断层合成重建进一步证明了将所提出的FPXS与计算成像集成的可行性。这些结果突显了平面栅极ZnO纳米线冷阴极FPXS器件在低剂量成像和未来高速、高空间分辨率静态CT系统中的潜力。

章节摘要

平面栅极氧化锌纳米线FPXS的结构与制备

设计了一种具有可寻址电子发射的平面栅极结构ZnO纳米线冷阴极，如图1(a)所示，并给出了其结构示意。该器件采用梳状阴极电极和栅极电极，以交叉配置排列。器件被划分为32个独立可寻址单元，每个单元由相应的栅极电极控制。每个单元的宽度为1.4 mm，长度为4.8 cm，单元间距为0.1 mm。宽度的

形貌与结构表征

制备的阴极板的照片如图2(a)所示。图像显示，平面栅极ZnO纳米线FEAs的32个可寻址单元位于面板中心。阴极电极位于左侧，栅极电极位于右侧，ZnO纳米线FEAs位于阴极电极的中心位置。ZnO纳米线FEAs的SEM图像如图2(b)-1和图2(b)-2所示，表明图案化ZnO

结论

综上所述，基于阴极-栅极梳状交叉结构，成功开发了一种具有32个独立可寻址发射单元的真空密封平面栅极ZnO纳米线FPXS。该器件展现了稳定的栅极控制寻址特性，随着V_g和连接栅极单元数量的增加，I_a呈单调递增。随后通过集成平面栅极FPXS与栅极驱动电路，构建了X射线投影成像装置，通过

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刘琦：撰写——审阅与编辑，撰写——原始稿件，可视化，方法论，调研，形式化分析，数据整理，概念设计。 段佳宇：可视化，软件，方法论，调研。 李阳：可视化，软件，方法论，调研。 欧卓然：可视化，调研。 康松：可视化，调研，数据整理。 宋谷雨：调研。 康世伟：调研。 温斌：调研。 邓少志：监督，项目

利益冲突声明

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致谢

作者感谢国家重点研发计划（资助号2022YFA1204200、2022YFA1204201和022YFA1204203）、广东省科学技术厅（资助号2023B1212060025）以及中央高校基本科研业务费的资助。

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