EFP Lausanne: Perskovitkristall zur Gammastrahlendetektion

Perowskite sind Materialien aus organischen Verbindungen, die an ein Metall gebunden sind. Aufgrund ihrer Struktur und Eigenschaften nehmen sie eine Vorreiterrolle in der Materialforschung ein. Perowskite sind für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet, unter anderem in Solarzellen, LED-Leuchten, Lasern und Fotodetektoren.

Diese letzte Anwendung, die Foto- oder Lichtdetektion, ist von besonderem Interesse für Wissenschafter der EPFL School of Basic Sciences, die einen Perowskit entwickelt haben, der Gammastrahlen detektieren kann. Unter der Leitung der Labore der Professoren László Forró und Andreas Pautz haben die Forscher ihre Arbeiten in der Zeitschrift «Advanced Science» veröffentlicht. «Dieser photovoltaische Perowskitkristall, der in dieser Kilogrammgrösse gezüchtet wird, ist ein echter Wendepunkt», sagt Forró. «Man kann ihn für optoelektronische Anwendungen in Wafer schneiden, wie Silizium. Und in diesem Artikel demonstrieren wir seine Nützlichkeit bei der Erkennung von Gammastrahlen».

Überwachung von Gammastrahlen

Gammastrahlen sind eine Art durchdringender elektromagnetische Strahlung, die durch den radioaktiven Zerfall von Atomkernen erzeugt wird wie bei Kern- oder sogar Supernovae-Explosionen. Gammastrahlen befinden sich am kürzesten Ende des elektromagnetischen Spektrums, was bedeutet, dass sie die höchste Frequenz und die höchste Energie haben. Aus diesem Grund können sie in nahezu jedes Material eindringen und werden häufig in den Bereichen innere Sicherheit, Astronomie, Industrie, Kernkraftwerke, Umweltüberwachung, Forschung und sogar in der Medizin zur Erkennung und Überwachung von Tumoren und Osteoporose eingesetzt. Der von den EPFL-Wissenschaftern entwickelte Perowskit basiert auf Methylammonium-Bleitribromidkristallen (MAPbBr3) und scheint ein idealer Kandidat zu sein, der all diese Anforderungen erfüllt.

Billigere und skalierbare Synthese

Der MAPbBr3 gehört zur Perowskit-Familie der «Metallhalogenide», was bedeutet, dass seine Kristalle im Gegensatz zu marktführenden Kristallen aus reichlich vorhandenen und kostengünstigen Rohstoffen gezüchtet werden können. Die Synthese findet in Lösungen nahe der Raumtemperatur statt, ohne dass teure Geräte erforderlich sind. Er sei natürlich nicht der erste Perowskit, der für den Nachweis von Gammastrahlen hergestellt wurde, so die Autoren. Das Volumen der meisten im Labor gezüchteten Metallhalogenidperowskite, die hierfür verwendet werden, ist jedoch auf etwa 1,2 ml begrenzt, was auf kommerzielles Niveau kaum skalierbar ist. Das Team der EPFL entwickelte jedoch eine Methode der «orientiertes Kristall-Kristallzucht», mit der ein ganzer Liter Kristalle mit einem Gesamtgewicht von 3,8 kg hergestellt werden konnte.

Andričević, P. et al. Kilogram-scale crystallogenesis of halide perovskites for gamma-rays dose rate measurements. In: Advanced Science 07, December 2020.
DOI: 10.1002/advs.2020018828