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Os detectores de silício para aplicações em tomografia computadorizada (TC) representam uma fronteira tecnológica complexa, marcada por limitações intrínsecas do material e desafios de engenharia que precisam ser superados para viabilizar seu uso eficiente em ambientes de alta energia. Embora o silício seja um semicondutor amplamente estudado e utilizado, sua capacidade de detecção de raios X em energias típicas da TC (40 keV a 140 keV) encontra barreiras significativas, sobretudo devido ao seu baixo poder de parada para fótons X e à predominância do efeito Compton na interação com a radiação.
Para atingir a mesma eficiência de absorção que materiais como o CdTe ou CZT, o silício necessitaria ser muito mais espesso — aproximadamente 25 vezes — o que implica um sensor com cerca de 5 cm de espessura, comparado a 2 mm desses compostos semicondutores. Uma solução engenhosa para esse problema é a configuração "edge-on", onde o sensor é posicionado perpendicularmente ao feixe de raios X, aumentando a espessura efetiva do material sem expandir excessivamente sua área superficial. No entanto, essa abordagem traz desafios industriais consideráveis, incluindo a montagem precisa e complexa dos sensores em pilhas verticais, o que dificulta a produção em larga escala.
Outro obstáculo técnico relevante é a limitação da capacidade de "buttability" — ou seja, a possibilidade de montar os sensores lado a lado sem espaços — que, na configuração edge-on, é restrita a dois ou três lados, impedindo a formação de matrizes com cobertura total em quatro direções. Isso resulta em uma área útil limitada, adequada apenas para imagens de pequenos órgãos, restringindo o campo de visão (FOV) dos sistemas baseados nessa tecnologia.
Adicionalmente, o efeito Compton, dominante no silício para as faixas de energia usadas em TC, distorce o espectro detectado, comprometendo a qualidade da imagem e a precisão espectral. Em contraste, materiais como CdTe e CZT apresentam o efeito fotoelétrico como mecanismo predominante, o que reduz as distorções espectrais, tornando-os mais adequados para aplicações espectrais. Tentar mitigar o efeito Compton no silício exige processamento complexo dos sinais, impactando negativamente o desempenho global do sistema.
Do ponto de vista material, o silício possui vantagens como a maturidade tecnológica na fabricação de cristais de alta qualidade e um excelente controle dos processos eletrônicos, com baixa concentração de defeitos que afetam o transporte de cargas. No entanto, outras propriedades, como o tamanho da banda proibida (bandgap), geram um compromisso entre a quantidade de pares elétron-buraco gerados e a corrente de fuga (leakage current), que aumenta com bandas proibidas menores, exigindo frequentemente resfriamento do sensor para manter a precisão na detecção.
Além disso, as propriedades físicas do material, como dureza, energia de ligação atômica e compatibilidade com os materiais de eletrodos, impactam diretamente na fabricação e operação dos detectores. A existência de defeitos cristalinos pode introduzir estados de armadilhamento, que capturam cargas antes que possam ser coletadas, causando variações temporais no sinal e comprometendo a resolução do detector.
Outros semicondutores alternativos como tálio brometo (TlBr) e iodeto de mercúrio (HgI2), com números atômicos mais altos que o CdTe e o CZT, ainda não alcançaram maturidade para produção em larga escala, enquanto materiais tradicionais como arseneto de gálio (GaAs) e perovskitas enfrentam limitações fundamentais que os afastam de aplicações comerciais robustas.
A seleção do material semicondutor para sensores de raios X é, portanto, um delicado equilíbrio entre propriedades físicas e elétricas: poder de parada, eficiência na geração de cargas, minimização da corrente de fuga, facilidade de fabricação e integração, além da capacidade de processamento de sinais para lidar com efeitos de interação complexos como o Compton.
Para o leitor, é crucial compreender que o desenvolvimento de detectores para TC espectral não é apenas uma questão de encontrar o material com o maior número atômico ou melhor eficiência teórica. A praticidade da fabricação, a confiabilidade na operação contínua, a possibilidade de integração em sistemas que exigem alta velocidade — como a rotação rápida do gantry do tomógrafo — e o custo final do dispositivo são fatores decisivos que impactam diretamente na viabilidade comercial e no avanço tecnológico da área. Por fim, a tecnologia edge-on em silício, embora promissora, ainda carrega desafios que limitam seu uso a nichos específicos e requerem soluções inovadoras para ampliar seu campo de aplicação.
Mobilidade, Vida Útil e Radiação em Perovskitas de Haleto de Chumbo: Desafios e Oportunidades
O MAPbI3, um dos compostos mais estudados na família das perovskitas, apresenta uma massa efetiva reduzida de 0,1 a 0,3 m0, valor comparável ao do silício (Si). No entanto, a mobilidade dos portadores de carga em perovskitas de haleto é inferior à do silício, o que limita sua aplicabilidade em dispositivos que dependem de altas mobilidades. Dependendo da técnica de medição e da qualidade do cristal único, os valores de mobilidade de elétrons e lacunas no MAPbI3 variam de 24 a 800 cm²/Vs. A dependência da temperatura das medições de mobilidade sugere que esses valores modestos são principalmente causados pela dispersão de elétrons com os fonons ópticos longitudinais. Vale ressaltar que as mobilidades de elétrons e lacunas estão na mesma faixa, o que está em conformidade com a massa efetiva.
Um dos principais problemas que limitam o desempenho dos dispositivos em materiais como o CZT (cadmio-zinco-telúrio) é a mobilidade reduzida das lacunas. No entanto, a natureza ambipolar do transporte de carga nas perovskitas de haleto de chumbo favorece a extração eficiente tanto de elétrons quanto de lacunas, compensando parcialmente a mobilidade mais baixa. Além disso, esses materiais apresentam longas vidas úteis e comprimentos de difusão, características que os tornam interessantes para diversas aplicações. As vidas úteis reportadas para o MAPbI3 estão em torno de 10–17 μs, e o CsPbBr3 apresenta uma vida útil recorde de mais de 25 μs. Essas vidas úteis prolongadas ajudam a compensar as modestas mobilidades e resultam em produtos mobilidade-vida útil (μ-tau) comparáveis aos materiais de CZT. O produto μ-tau reportado para MAPbI3, MAPbBr3 e CsPbBr3 é 0,8 × 10−3 cm²/V, 1,2 × 10−2 cm²/V e 1,33–1,69 × 10−3 cm²/V, respectivamente.
O uso de haletos mistos de MAPbBr2.94Cl0.06 dopados com Cl resulta em um produto μ-tau elevado de 1,8 × 10−2 cm²/V, com resistividade de 3,6 × 10^9 Ω⋅cm. No entanto, a limitação fundamental na mobilidade de portadores de carga impede que as perovskitas sejam amplamente aplicadas em campos que exigem fluxos de radiação X elevados, como a tomografia computadorizada.
A densidade de estados de armadilha, entre 10 × 10^9 cm−3 e 10 × 10^10 cm−3, é relativamente baixa em cristais únicos de perovskita de haleto, comparável à do CZT. Cristais de CsPbBr3, com tamanhos na ordem de centímetros e níveis de impurezas abaixo de 10 ppm, foram obtidos pelo método de crescimento por fusão de Bridgman. Os estudos experimentais confirmam as previsões teóricas que indicam que os defeitos intrínsecos dominantes são armadilhas rasas, enquanto defeitos profundos localizados no meio da banda proibida são improváveis devido ao alto entalpia de formação. Esse "tolerância a defeitos" nas perovskitas é atribuída à forte camada solitária na órbita s do Pb, ao acoplamento antibonding na órbita p do I e à alta ionicidade. Com a baixa densidade de defeitos eletricamente ativos, os portadores de carga excitados pela radiação podem ser extraídos sem serem aprisionados. Essa natureza de tolerância a defeitos também confere uma robustez à radiação, que será discutida a seguir.
A resistência à radiação é um requisito crucial para materiais semicondutores usados em detectores e sensores de radiação, pois esses materiais devem ser capazes de suportar grandes doses de radiação sem prejudicar suas capacidades de detecção. Embora o CdTe e o CZT sejam materiais relativamente robustos, com resistência à radiação muito superior a outros semicondutores, a literatura sobre a resistência à radiação nesses materiais é limitada. Um estudo abrangente sobre os efeitos de radiação ionizante em detectores de CdTe e CdZnTe foi realizado por Fraboni et al. em 2004, correlacionando a performance macroscópica dos detectores, caracterizada por medições de espectroscopia gama, com os efeitos microscópicos da radiação, observados a partir da espectroscopia de transientes de corrente fotoinduzida (PICTS). Com base nos resultados comparativos entre CdTe e CdZnTe, foi possível identificar os defeitos que afetam negativamente as capacidades espectroscópicas dos detectores.
Os principais resultados do estudo de Fraboni et al. incluem a constatação de que o CZT é mais resistente à radiação do que o CdTe, e que diferentes tipos de radiação induzem processos de degradação distintos no desempenho dos sensores. A degradação não está relacionada ao número total de defeitos, mas aos tipos específicos de defeitos induzidos. Em um estudo posterior, Fraboni et al. mostraram que detectores de CZT (Cd0.9Zn0.1Te) não apresentam degradação significativa até uma dose total de 260 kGy, contrastando com a dose de 5 kGy frequentemente citada para aplicações em tomografia computadorizada. No entanto, outros estudos, como o de Nan et al. em 2018, sugerem que o CZT começa a sofrer danos a uma dose de radiação de apenas 2,7 kGy, uma discrepância atribuída aos métodos de irradiação e aos diferentes cristais de CZT utilizados.
Essas diferenças destacam a importância de se considerar o tipo de radiação e os métodos de medição ao avaliar a resistência à radiação de materiais semicondutores. Além disso, a natureza do material, incluindo as impurezas e as condições de crescimento dos cristais, também influencia diretamente a resistência à radiação.
Como os Fotôns Interagem com Sensores Semicondutores: Mecanismos e Eficiência
Quando um fotão interage com um sensor semicondutor, o processo de detecção pode envolver uma série de mecanismos de interação, cada um com características distintas e implicações para a eficiência da medição. A compreensão dessas interações é fundamental para otimizar o desempenho dos detectores, especialmente em sistemas de espectroscopia de raios X, onde a medição precisa da energia dos fotões é crucial.
O processo de absorção fotoelétrica é um dos mecanismos mais importantes. Nesse processo, um fotão é completamente absorvido pelo sensor, resultando na criação de uma carga de elétrons e lacunas, conhecida como "nuvem de carga". O número total de portadores de carga, , é determinado pela energia do fotão () dividida pela energia de criação do par eletrônico-lacuna (), que é uma constante material-dependente. No entanto, se o elétron característico gerado no processo de absorção fotoelétrica for capaz de viajar longe o suficiente para sair do sensor, apenas uma parte da energia do fotão será medida. Essa perda de energia é observada como picos de escape, que aparecem como linhas de energia adicionais abaixo do pico principal, com uma diferença de energia correspondente à energia do fotão característico.
Outro mecanismo relevante de interação é o espalhamento inelástico, que inclui tanto o espalhamento de Rayleigh quanto o de Thomson. Nesse tipo de espalhamento, o fotão interage com os átomos do sensor, mas não transfere energia para eles. Em vez disso, o fotão é redirecionado em um ângulo em relação à sua trajetória original. Como não ocorre a criação de uma nuvem de carga, esse tipo de interação não é detectado pelos eletrônicos do detector.
Por outro lado, no espalhamento Compton, o fotão transfere uma parte de sua energia para um elétron frouxamente ligado no sensor, conhecido como elétron de retrocesso. Esse elétron de retrocesso é então espalhado, e a quantidade de energia transferida depende do ângulo de espalhamento do fotão. No caso de um ângulo de 0°, não há transferência de energia, enquanto o máximo de energia é transferido quando o fotão é espalhado a 180°. Esse efeito cria um limite superior de energia, conhecido como "borda Compton", que marca o ponto além do qual não é possível depositar mais energia no sensor.
Quando a energia do fotão é suficientemente alta (superior a 1.022 MeV), ocorre a produção de pares, onde o fotão é convertido em um par de partículas, um elétron e um pósitron, no campo coulombiano de um núcleo atômico. Qualquer energia acima de 1.022 MeV é transferida como energia cinética para o par gerado. Após a desaceleração, o pósitron se aniquila, produzindo dois fotões de aniquilação. Esse processo é crucial em sensores de alta energia e, por sua vez, tem implicações significativas para a eficiência do sensor.
Entre todos os mecanismos de interação, a absorção fotoelétrica é a mais desejada para sensores espectroscópicos, uma vez que resulta na deposição completa da energia do fotão no sensor. A eficiência da detecção de diferentes tipos de interação depende de fatores como a energia do fotão e o número atômico do material do sensor. Quanto maior o número atômico, maior a probabilidade de ocorrer a absorção fotoelétrica, especialmente para energias mais baixas de fotões.
Em um gráfico de eficiência de interação, observa-se que o espalhamento Compton se torna relevante quando a energia do fotão atinge cerca de 60 keV. Para energias mais altas, a absorção fotoelétrica diminui, sendo substituída progressivamente pelo espalhamento Compton. O material do sensor também desempenha um papel crucial na eficiência de detecção, com materiais como o CdZnTe, GaAs e TlBr sendo eficazes para a detecção em temperaturas ambientes, devido à sua resistividade adequada.
Outro fator essencial para a eficiência do sensor é a resistividade do material. A resistividade, que depende da quantidade de portadores de carga livres no material e da sua mobilidade, afeta diretamente a corrente de fuga do sensor. Uma corrente de fuga excessiva pode gerar ruído e tornar impossível distinguir o sinal gerado pelos fotões da corrente indesejada. Materiais como o CdZnTe e o GaAs possuem resistividade ideal para detecção de raios X a temperatura ambiente, enquanto materiais como silício e germânio necessitam de técnicas especiais, como a criação de junções pn, para reduzir a corrente de fuga e melhorar a detecção.
A escolha do material para o sensor depende, portanto, da energia dos fotões que se deseja medir e da necessidade de minimizar a corrente de fuga. Para isso, sensores baseados em junções pn, onde a região de depleção é criada por um viés reverso, são frequentemente utilizados. Esses sensores são menos suscetíveis a ruídos, pois a região de depleção efetivamente diminui a quantidade de portadores de carga livres.
Além disso, a espessura do sensor também é um fator crucial, pois afeta a eficiência de detecção em diferentes energias de fotões. Sensores mais espessos podem captar mais fotões, mas também são mais suscetíveis ao espalhamento Compton, que reduz a precisão da medição. Portanto, o design ideal do sensor deve equilibrar esses fatores para maximizar a eficiência e a precisão da detecção.
Ao estudar esses diferentes mecanismos de interação e as propriedades dos materiais semicondutores, é possível otimizar os detectores para que eles atendam a requisitos específicos, seja para imagens médicas, análise de materiais ou outras aplicações científicas. A chave para melhorar a eficiência e a precisão de detecção está em entender profundamente como cada tipo de interação afeta a capacidade do sensor de medir a energia dos fotões de forma confiável e precisa.