Науковці створили екологічні рентгенівські детектори на основі вісмуту

Група науковців під керівництвом професорки Олени Маслянчук з Центру імені Гельмгольца в Берліні (HZB) продемонструвала революційний прорив у технології рентгенівських детекторів. Дослідники розробили два нові гібридні матеріали на основі вісмуту, які показують надзвичайно високу ефективність у виявленні рентгенівського випромінювання.

Рентгенівська візуалізація є незамінною в медичній діагностиці та характеристиці матеріалів. Принцип роботи детектора полягає в перетворенні рентгенівських променів, що проходять крізь об'єкт, в електричні сигнали. Підвищена чутливість детектора дозволяє використовувати нижчі дози випромінювання, що особливо важливо в медичних застосуваннях.

Сучасні рентгенівські детектори складаються з неорганічних сполук елементів із середніми та високими атомними числами. Останніми роками неорганічні перовскітні сполуки також випробовувалися як рентгенівські детектори з дуже добрими результатами.

Нові матеріали, досліджені в цій роботі — [(CH3CH2)3S]6Bi8I30 та [(CH3CH2)3S]AgBiI5 — були створені під впливом успіху галоїдних перовскітів в оптоелектронних пристроях. Першим їх дослідив доктор Аллан Старкхольм під час роботи над своєю докторською дисертацією в Королівському технологічному інституті Стокгольма.

«Високі атомні числа, відповідні ширини забороненої зони та унікальні структурні особливості роблять ці матеріали ідеальними для виявлення рентгенівського випромінювання», — пояснює Старкхольм. «Вони містять стабільні сульфонієві катіони замість традиційно використовуваних гігроскопічних амонієвих катіонів, що обіцяє тривалу стабільність».

У співпраці з експерткою BAM Франціскою Еммерлінг було застосовано особливо екологічний виробничий процес — кульове подрібнення. Цей метод дозволяє отримувати полікристалічні порошки, які потім пресуються в щільні гранули. Такі процедури вже встановлені в промисловості.

Спільно з командою доктора Фелікса Ланга з Потсдамського університету нові матеріали були оцінені щодо їх використання в рентгенівських детекторах. «Результати показують, що вони працюють краще, ніж сучасні комерційні детектори, навіть протягом тривалого часу», — говорить Старкхольм. «Фактично, вони демонструють чутливість до двох порядків вищу, ніж комерційні матеріали, такі як аморфний селен або CdZnTe, і можуть виявляти дози рентгенівського випромінювання майже в 50 разів нижчі».

Окрім всебічного аналізу в лабораторії, команда також досліджувала зразки на лінії KMC-3 XPP синхротрона BESSY II. Детектори підтримували стабільний відгук під час імпульсного рентгенівського опромінення при високій інтенсивності потоку фотонів. Після опромінення не спостерігалося жодного вимірюваного погіршення характеристик, що підкреслює надійність детекторних матеріалів.

«Ми показали, що ці абсолютно нові матеріали на основі вісмуту є відмінними кандидатами для виявлення рентгенівського випромінювання. Наші результати відкривають захоплюючі можливості для розширення досліджень гібридних матеріалів у HZB за межами фотовольтаїки, як у межах, так і за межами галузі перовскітів. Більш чутливі рентгенівські детектори дозволять значно знизити опромінення під час рентгенівської візуалізації», — підкреслює професорка Маслянчук.

Наступним кроком є передача технології. «В Адлерсхофі є багато цікавих компаній, з якими ми могли б співпрацювати для оптимізації розробки таких рентгенівських детекторів», — зазначає Старкхольм.

Результати дослідження опубліковані в журналі Advanced Materials.