Interaction des rayons gamma avec les cristaux de bromure de plomb césium. Structure cristalline de pérovskite où les octaèdres de bromure de plomb partageant les coins forment un cadre atomique tridimensionnel. Les atomes de césium sont représentés en vert. Crédit :Université Northwestern
Une équipe de recherche de la Northwestern University et du Laboratoire national d'Argonne a mis au point un matériau exceptionnel de nouvelle génération pour la détection des rayonnements nucléaires qui pourrait constituer une alternative nettement moins coûteuse aux détecteurs actuellement utilisés dans le commerce.
Spécifiquement, le matériau haute performance est utilisé dans un dispositif capable de détecter les rayons gamma, signaux faibles émis par les matières nucléaires, et peut facilement identifier les isotopes radioactifs individuels. Cela fait plus de 30 ans qu'un matériau avec cette performance a été développé, avec le nouveau matériau ayant l'avantage d'une production peu coûteuse.
Les utilisations potentielles du nouvel appareil comprennent des détecteurs plus répandus, y compris des appareils portables, pour les armes et les matériaux nucléaires ainsi que des applications en imagerie biomédicale, astronomie et spectroscopie.
"Les gouvernements du monde veulent un rapide, moyen peu coûteux de détecter les rayons gamma et les rayonnements nucléaires pour lutter contre les activités terroristes, comme la contrebande et les bombes sales, et la prolifération des matières nucléaires, " a déclaré Mercouri G. Kanatzidis de Northwestern, l'auteur correspondant de l'article. « Cela a été un problème très difficile à résoudre pour les scientifiques. Nous avons maintenant un nouveau dispositif semi-conducteur passionnant qui est peu coûteux à fabriquer et fonctionne bien à température ambiante. »
Kanatzidis est professeur de chimie Charles E. et Emma H. Morrison au Weinberg College of Arts and Sciences. Il a un rendez-vous commun avec Argonne.
Plaquette monocristalline de bromure de plomb césium. Crédit :Université Northwestern
La recherche a été publiée cette semaine dans la revue Communication Nature .
En 2013, Argonne a publié une étude scientifique notant la promesse du bromure de plomb césium sous forme de cristaux de pérovskite pour la détection de rayonnement à haute énergie. Depuis, chercheurs dirigés par Kanatzidis, Duck Young Chung d'Argonne et Constantinos Stoumpos de Northwestern ont travaillé pour purifier et améliorer le matériau.
La percée est venue quand Yihui He, stagiaire postdoctoral dans le groupe Kanatzidis et premier auteur de l'article, a pris le matériau amélioré et a reconfiguré le dispositif semi-conducteur. Au lieu d'utiliser la même électrode de chaque côté du cristal, il a utilisé deux électrodes différentes. Avec ce design asymétrique, l'appareil ne conduit l'électricité qu'en présence de rayons gamma.
Les chercheurs ont comparé les performances de leur nouveau détecteur de bromure de plomb au césium à celles du détecteur conventionnel au tellurure de zinc cadmium (CZT) et ont constaté qu'il fonctionnait tout aussi bien pour détecter les rayons gamma avec une haute résolution du cobalt-57.
Spectres de rayons gamma résolus par un détecteur de bromure de plomb césium (CsPbBr3). Les isotopes radioactifs utilisés sont l'américium 241 (demi-vie 432,2 ans) et le cobalt-57 (demi-vie 270,9 jours). Chaque isotope possède sa propre « empreinte digitale » :un comportement de désintégration différent et un spectre d'émission de rayons gamma caractéristique unique. Crédit :Université Northwestern
"Nous avons obtenu les mêmes performances en deux ans de recherche et développement que d'autres en 20 ans avec le tellurure de zinc-cadmium, le matériel coûteux qui est actuellement utilisé, ", a déclaré Kanatzidis.
Il est important de savoir quel est le matériau émetteur de rayons gamma, Kanatzidis a souligné, parce que certains matériaux sont légaux et certains sont illégaux. Chaque isotope radioactif possède sa propre « empreinte digitale » :un comportement de désintégration différent et un spectre d'émission de rayons gamma caractéristique unique. Le nouveau détecteur de bromure de plomb au césium peut détecter ces empreintes digitales.
Dans l'étude, les chercheurs ont découvert que le détecteur avait réussi à identifier les isotopes radioactifs de l'américium-241, cobalt-57, césium-137 et sodium-22. Les chercheurs ont également produit des échantillons de cristal plus gros pour démontrer que le matériau peut être agrandi.
L'article est intitulé "Haute résolution spectrale des rayons gamma à température ambiante par des monocristaux de pérovskite CsPbBr".
