Новый гибридный материал на основе перовскита увеличил эффективность радиационных детекторов в пять раз
Исследователи из Университета Оклахомы совершили прорыв в области создания материалов для быстрых радиационных детекторов, переосмыслив принципы работы гибридных перовскитов. В отличие от традиционного подхода, делающего ставку на неорганическую составляющую этих материалов, команда ученых успешно задействовала органический компонент для генерации быстрого и эффективного свечения под воздействием радиации.
Перовскиты, кристаллические материалы с особой атомной структурой, давно находятся в центре внимания материаловедения благодаря их применению в солнечных батареях и оптоэлектронике. Однако долгое время считалось, что ключевые полезные свойства перовскитов определяются их неорганическим каркасом. Группа исследователей под руководством аспиранта М. С. Мухаммада из Департамента химии и биохимии решила проверить это устоявшееся предположение, задавшись вопросом, может ли органическая часть гибридных слоистых перовскитов играть более значимую функциональную роль.
Ответ оказался положительным. Внедрив органические молекулы непосредственно в структуру слоистых галогенидных перовскитов, ученые создали материал, в котором под воздействием радиации свет испускает именно органический компонент. Эффективность этого свечения оказалась одной из самых высоких среди подобных систем, что является критически важным показателем для радиационного детектирования.
«Объединяя неорганические и органические компоненты в один гибридный материал, мы можем использовать сильные стороны каждой структурной части, — пояснил Мухаммад. — Быстрым радиационным детекторам требуются быстрые сцинтилляционные свойства, то есть нам нужно, чтобы светоизлучение было мгновенным. Органическая структурная часть этих материалов как раз может это обеспечить».
В качестве органического наполнителя исследователи использовали молекулы стильбена, известные своей способностью к интенсивной люминесценции. Помещенные в специально сконструированную двумерную кристаллическую решетку перовскита, эти молекулы продемонстрировали пятикратное увеличение эффективности светоизлучения по сравнению с их использованием в чистом виде. Это свидетельствует о том, что кристаллическое окружение значительно усиливает их отклик на радиацию.
Как объяснил старший автор исследования, профессор Байрам Сапаров, принципиальная разница между подходами заключается в скорости высвечивания. Органическая люминесценция происходит быстрее неорганической, что критически важно для детекторов нейтронов, рентгеновского и гамма-излучения, где скорость преобразования радиации в световой сигнал имеет первостепенное значение. Разработанная Мухаммадом стратегия позволила не только добиться высокой скорости, но и увеличить эффективность свечения органического компонента в пять раз.
Помимо выдающихся характеристик скорости и яркости, новые гибридные материалы продемонстрировали впечатляющую стабильность. В то время как многие соединения, используемые для обнаружения радиации, требуют защитных покрытий от воздействия окружающей среды, созданные перовскиты оставались стабильными на открытом воздухе более года, не нуждаясь в какой-либо защитной оболочке.
«Производительность материалов Мухаммада находится на одном уровне с лучшими современными быстрыми радиационными детекторами, — отметил Сапаров. — Это говорит нам о том, что продемонстрированная в этой работе стратегия эффективна. При дальнейшей доработке мы можем повысить эффективность люминесценции этих гибридных материалов, и они смогут даже превзойти существующие аналоги».
Полученные результаты открывают новые горизонты в создании технологий высокоскоростного радиационного зондирования, предлагая пересмотреть баланс ролей органических и неорганических компонентов в перовскитах.
Исследование было в журнале Journal of the American Chemical Society.