Perovszkit vékonyrétegek sugárzásdetektorként való alkalmazhatóságának vizsgálata
ÚJ NEMZETI KIVÁLÓSÁG PROGRAM PÁLYÁZAT
Pályázat azonosítója: ÚNKP-20-3-II-DE-99
Pályázat futamideje: 2020. szeptember 1. – 2021. január 31.
Pályázó PhD hallgató: Buga Csaba
Témavezető: Csík Attila
Szintetikus fém-halogenid perovszkitok egyedülálló optoelektronikai tulajdonságaiknak köszönhetően napjaink egyik legintenzívebben kutatott félvezető anyagcsoportja.
Az új-generációs fotovoltaikus és fotoemissziós eszközök funkcionális elemeinek szánt perovszkit kristályok fotokonverziós hatásfoka ma már összemérhető az általánosan használt sziliciumalapú napelemekével [1,2]. Nanokristályok formájában előállított perovszkit kristályok erős fotolumineszcenciát is mutatnak makroszkopikus alakjukkal szemben, ami további jelentős alkalmazási lehetőségeket tesz lehetővé. A nagy kvantumhatásfokú fotolumineszcenciájuk felfedezését követően csak az elmúlt 2-3 évben került előtérbe hasznosíthatóságuk nagyenergiájú fotonok (röntgen és gamma) detektálására. A szintetikus fém-halogenid perovszkitok általában csak nehéz elemeket tartalmaznak, így nagy a röntgenelnyelési képességük, valamint figyelembe véve a kristályszerkezetükből eredő különleges elektronikus viselkedésüket, mint pl. az elhanyagolható nem sugárzásos rekombináció vagy kristályhiba-tolerancia, szcintillációs detektorok és fotovoltaikus eszközök fejlesztésében nagy potenciállal rendelkeznek. Nehézelem-összetételüknek (pl. ólom), és így röntgensugárzásra való nagy érzékenységüknek köszönhetően például az orvosi képalkotásban használt detektorok fejlesztésében is jelentős szerephez juthatnak [3].
1. ábra. CsPbBr3 nanokrsitályok transzmissziós mikroszkóp felvétele.
Ólom alapú perovszkit nanokristályokkal (CsPbBr3) végzett első kísérleteink azt mutatták, hogy a nukleáris méréstechnikában legelterjedtebben használt CsI(Tl) szcintillátor kristályokkal felszerelt detektorokkal szemben a perovskit nanokristályok jelentősen gyorsabb, időzítésre alkalmasabb jel-alakkal rendelkeznek [4]. A kísérletekhez CsPbBr3 nanokrsitályokat (CPB) folyadékfázisú reakciók („hot injection”) útján állítottuk elő (1. ábra). A szuszpenziót üveglemezre kicseppentve a felületre rászáradt réteget Am-241 radioaktív forrásból származó 5486 keV-os a-részecskékkel sugároztuk be.
2. ábra. CsPbBr3 nanokristályok (fent) és egy CsI(Tl) szcintillátor (lent) fotolumineszcens jele.
Megállapítható volt (2. ábra), hogy a CsPbBr3 nanokristályokat is tartalmazó detektor rendszer jobb jel-alakkal rendelkezik a hagyományos szcintillátorokhoz képest. A mérhető jelek néhány nano-szekundumos fel- és lefutása lehetőséget biztosít ezen anyagok alkalmazására detektáló rendszerekben időzítő jelek forrásaként. Ugyanakkor az alkalmazhatóság szempontjából fontos a kontrollált vastagságú, folytonos réteg kialakítása, valamint ismerni kell a CPB-kristályokkal felépített érzékelők energiafüggését. Munkám folytatásaként vékonyrétegek előállítására alkalmas módszerek használatával („spin-coating, electrospray”) üveg hordozó felületén különböző vastagságú rétegeket hozok létre, vizsgálom a rétegek felületi morfológiáját, szerkezetét, különböző energiájú töltött részecskékkel történő besugárzás hatására adott válaszukat.
Célkitűzés
A tervezett kutatási program célkitűzése ólom-alapú perovszkit nanokristályok szintetizálása, valamint a perovszkit nanokristályokat tartalmazó szuszpenzió felhasználásával vékonyrétegek készítése üveg hordozón. A bevonatolt üveglemezek 200 keV-4 MeV energia tartományban történő besugárzása, a sugárzásindukált lumineszcencia mérése. A besugárzó energia szisztematikus változtatásával méréssorozatok elvégzése a perovszkit nanokristályok szcintillációs hatásfoka energia függésének megállapítására.
Irodalomjegyzék
[1] M. Green and A. Ho-Baillie, ACS Energy Letters 2 (2017) 822–830.
[2] H. Wei and J. Huang, Nature Communication 10 (2019) 1066.
[3] E. Graham, D. Gooding, J. Gruszko, C. Grant, B. Naranjoc and L. Winslow, Journal of Instrumentation 14 (2019) P11024.
[4] M. Hunyadi, Cs. Buga, L. Csige and A. Csík, Közlésre benyújtva az RSC Nanoscale folyóirathoz. [Charged-particle induced radioluminescence emitted by nanoclusters of lead-halide perovskite quantum dots]
Kapcsolódó weboldal: http://www.unkp.gov.hu/unkp-rol