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    Les pérovskites photovoltaïques peuvent détecter les neutrons

    (a) Panneau de gauche :Représentation schématique de la détection directe du rayonnement neutronique par un MAPbBr3 SC équipé d'électrodes de pulvérisation en graphite. Les neutrons sont convertis en rayonnement secondaire dans le MAPbBr3 SC. Panneau du milieu :La carte de flux de photons calculée autour des SC MAPbBr3 positionnés sur une platine en aluminium. Panneau de droite :Le photocourant acquis en fonction du temps. Les trois premières périodes d'ouverture des volets sont représentées. (b) Panneau de gauche :Représentation schématique de la détection réussie du rayonnement neutronique par un ensemble constitué de la feuille de Gd et du MAPbBr3 SC équipé d'électrodes de pulvérisation en graphite. La feuille de Gd convertit les neutrons en rayons gamma détectables. Panneau du milieu :la carte de flux de photons calculée autour des SC MAPbBr3 en présence de la feuille de Gd (traits blancs). Panneau de droite :Le photocourant acquis en fonction du temps pour les trois premières périodes d'ouverture du volet. Les mesures ont été effectuées dans des conditions ambiantes, en utilisant une tension de polarisation pulsée de 1 V (200 ms entre les impulsions de tension). Les pics de courant pendant les étapes d'obturation ouverte sont le résultat du taux de répétition de 10 Hz du faisceau de neutrons échantillonné avec la fréquence de lecture de Keithley. Crédit :DOI :10.1038/s41598-021-95586-3

    Un dispositif simple et peu coûteux de détection des neutrons a été développé par une équipe de chercheurs de l'EPFL et leurs collaborateurs. Le dispositif, basé sur une classe spéciale de composés cristallins appelés pérovskites, pourrait être utilisé pour détecter rapidement des neutrons provenant de matières radioactives, par exemple. un réacteur nucléaire qui a été endommagé ou qui est transporté de façon néfaste, disent les chercheurs. L'ouvrage est publié dans Rapports scientifiques .

    Les pérovskites à base d'éléments organiques et inorganiques sont très appréciées pour être des matériaux de pointe pour les applications de cellules solaires. Mais leurs talents ne s'arrêtent pas à convertir la lumière du soleil en énergie :les pérovskites peuvent également être utilisées pour détecter des types de rayonnement spécifiques, de la lumière visible aux rayons gamma. Les pérovskites sont également bon marché et faciles à fabriquer - leur structure cristalline et leur composition spécifiques leur permettent d'interagir très efficacement avec les photons d'une manière qui n'est pas encore entièrement comprise, mais les électrons générés sont déjà prêts à être exploités dans des applications pratiques.

    Le détecteur de neutrons à pérovskite est basé sur les travaux que l'auteur principal Pavao Andričević (maintenant chercheur postdoctoral en physique à l'Université technique du Danemark) a mené pendant son doctorat. études à l'EPFL avec László Forró (aujourd'hui à l'Université de Notre Dame, NOUS.). Ils ont développé des matériaux pérovskites capables de détecter une large gamme de rayonnements allant de la lumière visible aux rayons gamma. Mais les neutrons, qui sont des particules neutres, et non des photons - sont restés hors de portée des détecteurs à pérovskite. Jusqu'à maintenant.

    Les pérovskites développées par l'équipe d'Andricevic et Forró sont des monocristaux contenant du plomb et du brome d'un composé appelé tribromure de plomb méthylammonium. Pour essayer de détecter directement les neutrons, l'équipe a d'abord placé ces cristaux sur le trajet d'une source de neutrons. Cela a été fait avec l'aide de Gabor Nafradi (Rutherford Appleton Laboratory, UK) et l'équipe d'Andreas Pautz (Laboratoire de physique des réacteurs, EPFL). Les neutrons, frapper les cristaux, pénétrer dans le noyau des atomes à l'intérieur du cristal, qui les excite dans un état d'énergie plus élevé. Quand ils se détendent et se décomposent, des rayons gamma sont produits. Ces photons gamma chargent la pérovskite, produisant un petit courant mesurable.

    Mais ce courant était si faible que l'équipe s'est rendu compte que quelque chose de plus était nécessaire si elle voulait fabriquer un détecteur de neutrons pratique. Et ce quelque chose en plus a été trouvé dans une fine feuille de gadolinium, qui absorbe bien mieux les neutrons que le cristal de pérovskite nu. Lorsque les neutrons interagissent avec les atomes de gadolinium, ils sont excités dans un état énergétique supérieur, puis se désintégrer en émettant un rayonnement gamma.

    Monocristal CH3NH3PbBr3 avec feuille de Gd2O3 englouti, convertir les neutrons en rayons gamma, qui crée les photoélectrons facilement mesurables. À des fins de détection. © 2021 M. Kollár

    Le gadolinium est beaucoup plus efficace pour créer des photons gamma que les pérovskites, qui avait déjà été développé comme un grand détecteur gamma. Mettre les deux ensemble était simple et très efficace; les chercheurs ont ajouté une électrode de carbone, et les électrons résultants produits dans la pérovskite étaient faciles à mesurer. "Vous venez de mettre un voltmètre ou un courantomètre, " dit Forro.

    Pour améliorer encore le détecteur, l'équipe a ensuite fait pousser le cristal de pérovskite autour de la feuille. Ces pérovskites sont remarquables car leur structure cristalline n'est pas affectée si elles contiennent un corps étranger. "La propriété de ce matériau est telle qu'il peut engloutir n'importe quoi, d'une mouche à un crocodile, au gadolinium, " dit Márton Kollár, le chimiste de l'équipe. "Alors ça pousse autour de l'objet, et même quand ça pousse, ça reste cristallin. C'est donc une caractéristique vraiment fabuleuse de ce matériau."

    Un avantage supplémentaire de l'appareil est qu'il peut mesurer la direction du flux de neutrons, et la taille du flux - il pourrait donc s'agir d'un appareil de numérisation très utile s'il était utilisé par une société commerciale.

    "C'est simple, ce n'est pas cher, et c'est rentable, " dit Forró. Maintenant que l'équipe a montré que l'appareil fonctionne, la prochaine étape est le raffinement et la commercialisation potentielle. "C'est une preuve de principe, que ça marche, " dit Forró. " Et maintenant, nous pouvons penser à la configuration d'un détecteur très efficace. "


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