近日，郑州大学物理学院、中原之光实验室郑州大学物理学院、中原之光实验室在高透明、大尺寸、高分辨X射线闪烁材料的设计与应用研究方面取得重要进展。相关成果以“Scalable X-ray scintillators with bright singlet-triplet hybrid self-trapping excitons”为题发表在国际知名物理类期刊《Light: Science & Applications》上。其中，我院青年老师宋世玉为论文第一作者，郜超军高级实验师为共同第一作者，我院单崇新教授和刘凯凯教授为共同通讯作者，郑州大学物理学院为第一完成单位。

X射线闪烁体是实现高灵敏辐射探测与成像的关键材料，其核心功能在于将X射线能量高效转换为可见光信号，被广泛应用于医学影像、安全检查、工业无损检测等多个领域。从传统碘化铯（CsI:Tl）到新兴的金属卤化物钙钛矿闪烁体，不同材料体系各有优劣。例如，传统无机闪烁体虽然具有较高的X射线吸收能力，但其在大面积高分辨率成像方面仍存在优化空间。此外，有机闪烁体因其合成灵活、低成本等优势受到关注，但其设计流程复杂、光学稳定性较差，难以适用于长期使用环境。因此，开发兼具高透明度、高光产额、大面积可制造性的X射线闪烁体成为当前研究的关键方向。

图1. ZnO量子点闪烁体的设计、发光和成像：（a）大面积闪烁体图像；（b）ZnO量子点闪烁体中X射线激发闪烁过程的示意图；（c）高分辨大面积X射线成像。

研究团队采用无序组装策略，在常温条件下利用溶液法制备出面积达1米×0.5米的大面积氧化锌量子点（ZnO QDs）闪烁体，该材料具有类玻璃态的高光学均匀性，在可见光范围内透过率高达96%，打破了传统闪烁体尺寸与透明度难以兼得的限制。通过优化激子态分布，三重态自陷域激子显著提升了闪烁发光的贡献，最终实现大面积高分辨率X射线成像。其空间分辨率高达42 lp/mm，X射线探测最低剂量率为37.6 ± 0.4 nGy/s，显著低于传统医疗成像剂量要求；在5000 cm²大面积单次扫描中实现了背包内部器件、生物骨组织等结构的高对比度成像，并完成了24帧/秒的实时动态成像演示。

研究人员从激发态发光机制上实现了三重态激子的“亮态”利用，提出了“量子点交换不变性”概念，揭示了无序组装在光学输出稳定性上的结构优势，为大面积量子点玻璃态闪烁体的可制造性提供理论依据。该成果不仅在闪烁材料设计、激子调控与高性能辐射成像器件开发方面具有重要科学价值，也为大面积高分辨X射线成像发展提供了材料支撑和技术路径。

该工作得到了国家自然科学基金、河南省优秀青年科学基金、中国博士后创新人才支持计划的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01869-z