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Perowskite sind aus organischen Verbindungen bestehende Materialien, die an ein Metall gebunden sind. Sie sind aufgrund ihrer Struktur und Eigenschaften in die vordersten Reihen der Materialforschung vorgedrungen und für eine Vielzahl von Anwendungen vorgesehen, unter anderem in Solarzellen, LED-Leuchten, Lasern und Photodetektoren.
Die letztgenannte Anwendung, die Photo- oder Lichtdetektion, ist von besonderem Interesse für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der EPFL-Fakultät für Grundlagenwissenschaften, die einen Perowskit entwickelt haben, der Gammastrahlen nachweisen kann. Die Forschenden der von den Professoren László Forró und Andreas Pautz geleiteten Labors haben ihre Arbeiten in Advanced Science veröffentlicht.
«Dieser photovoltaische Perowskitkristall, der in Kilogrammgrösse gezüchtet wird, ist ein echter Wendepunkt», so Forró, «man kann ihn für optoelektronische Anwendungen in Scheiben schneiden, wie Silizium. In dieser Arbeit demonstrieren wir seine Nützlichkeit bei der Erkennung von Gammastrahlen.»
Überwachung von Gammastrahlen
Gammastrahlen sind eine Art durchdringende elektromagnetische Strahlung, die beim radioaktiven Zerfall von Atomkernen, z.B. bei Kern- oder sogar Supernovaexplosionen, entsteht. Gammastrahlen befinden sich am kürzesten Ende des elektromagnetischen Spektrums, d.h. sie haben die höchste Frequenz und die höchste Energie. Aus diesem Grund können sie fast jedes Material durchdringen und werden in den Bereichen innere Sicherheit, Astronomie, Industrie, Kernkraftwerke, Umweltüberwachung, Forschung und sogar in der Medizin zur Erkennung und Überwachung von Tumoren und Osteoporose eingesetzt.
Aber gerade weil Gammastrahlen biologisches Gewebe beeinflussen können, müssen wir sie im Auge behalten können. Dazu brauchen wir einfache, zuverlässige und billige Gammastrahlendetektoren. Der Perowskit, den die Forschenden der EPFL entwickelt haben, basiert auf Kristallen von Methylammoniumbleitribromid (MAPbBr3) und scheint ein idealer Kandidat zu sein, um all diese Anforderungen zu erfüllen.
Glasklare Vorteile
Perowskite werden zunächst als Kristalle «gezüchtet», wobei die Qualität und Klarheit der Kristalle die Effizienz des Materials bestimmt, wenn es in dünne Filme umgewandelt wird, die in Geräten wie Solarpaneelen verwendet werden können.
Die von den Forschenden der EPFL hergestellten Perowskit-Kristalle zeigen eine hohe Klarheit bei sehr geringen Verunreinigungen. Als die Forschenden Gammastrahlen auf den Kristallen testeten, stellten sie fest, dass sie Phototräger mit einem hohen «Mobilitäts-Lebensdauer-Produkt» erzeugten, was ein Mass für die Qualität von Strahlungsdetektoren ist. Kurz gesagt, der Perowskit kann Gammastrahlen bei Raumtemperatur effizient nachweisen, einfach durch Messung des spezifischen Widerstands.
Billigere und skalierbare Synthese
Der MAPbBr3 gehört zur Familie der «Metallhalogenid»-Perowskite, was bedeutet, dass seine Kristalle im Gegensatz zu den marktführenden Kristallen aus reichlich vorhandenen und kostengünstigen Rohstoffen gezüchtet werden können. Die Synthese findet in Lösungen nahe Raumtemperatur statt, ohne dass teure Anlagen benötigt werden.
Dies ist natürlich nicht der erste Perowskit, der für den Nachweis von Gammastrahlen hergestellt wurde. Aber das Volumen der meisten im Labor gezüchteten Metallhalogenidperowskite, die dafür verwendet werden, ist auf etwa 1,2 ml begrenzt, was kaum auf ein kommerzielles Niveau skalierbar ist. Das Team der EPFL entwickelte jedoch auch eine ganz eigene Methode, die als «orientierte Kristallzüchtung» bezeichnet wird und es ihnen erlaubte, einen ganzen Liter Kristalle mit einem Gesamtgewicht von 3,8 kg herzustellen.
«Mir persönlich hat es sehr viel Spass gemacht, an den gemeinsamen Grenzen der Physik der kondensierten Materie, der Chemie und der Reaktorphysik zu arbeiten und zu sehen, dass diese Zusammenarbeit zu wichtigen Anwendungen für unsere Gesellschaft führen könnte», sagt Pavao Andričević, Hauptautor der Studie.