Impression de perovskite sur graphène: détecteur de rayons X inédit

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Exemple de piliers de pérovskite déposés, définissant un pixel pour la création

Exemple de piliers de pérovskite déposés, définissant un pixel pour la création d’une image. Crédit: L. Forró, EPFL

Grâce à l’impression 3D par jet d’aérosol de pérovskites sur du graphène, des scientifiques de l’EPFL ont fabriqué des détecteurs de rayons X d’une sensibilité sans précédent. Cette avancée peut considérablement améliorer l’efficacité des appareils d’imagerie médicale tout en réduisant leur coût et les risques sanitaires associés.

Depuis leur découverte par Wilhelm Röntgen en 1895, les rayons X font désormais partie intégrante de l’imagerie médicale. En fait, moins d’un mois après la publication du célèbre article de Wilhelm Röntgen, des médecins du Connecticut ont pris la première radiographie du poignet cassé d’un garçon.

Depuis, de nombreux progrès ont été réalisés. Hormis les radiographies, que la plupart des gens passent au moins une dans leur vie, les utilisations médicales actuelles des rayons X sont la fluoroscopie, la radiothérapie pour un cancer et la tomodensitométrie, qui consiste à prendre plusieurs radiographies du corps à des angles différents puis à les combiner dans un ordinateur pour générer des coupes transversales virtuelles du corps.

Toutefois, l’imagerie médicale fonctionne souvent dans des conditions de faible exposition et nécessite donc des détecteurs économiques et à haute résolution capables de fonctionner à un «faible flux de photons». Le flux de photons décrit simplement le nombre de photons qui heurtent le détecteur à un moment donné et détermine le nombre d’électrons qu’il génère à son tour.

Désormais, des scientifiques sous la houlette de László Forró de la Faculté des Sciences de Base ont développé un tel appareil. Grâce à l’impression 3D par jet d’aérosol, ils ont mis au point une nouvelle méthode de fabrication de détecteurs de rayons X hautement efficaces qui peuvent être facilement intégrés dans la microélectronique standard pour améliorer considérablement les performances des appareils d’imagerie médicale.

Les nouveaux détecteurs sont fabriqués à partir de graphène et de pérovskites, qui sont des matériaux à base de composés organiques liés à un métal. Ils sont polyvalents, faciles à synthétiser et sont à l’avant-garde d’un vaste ensemble d’applications, y compris dans les cellules solaires, les éclairages LED, les lasers et les photodétecteurs.

L’impression par jet d’aérosol est relativement récente. Elle est utilisée pour fabriquer des composants électroniques imprimés en 3D tels que des résistances, des condensateurs, des antennes, des capteurs et des transistors en couches minces, ou même pour imprimer des composants électroniques sur un substrat spécifique, comme dans le cas d’un téléphone portable.

À l’aide de l’imprimante à jet d’aérosol du CSEM de Neuchâtel , les chercheurs ont imprimé des couches de pérovskite en 3D sur un substrat de graphène. L’idée est que dans un appareil, la pérovskite agit comme un détecteur de photons et un déchargeur d’électrons, tandis que le graphène amplifie le signal électrique sortant.

L’équipe de recherche a utilisé la pérovskite d’iodure de plomb-méthylammonium (MAPbI3), qui est récemment au centre de l’attention en raison de ses propriétés optoélectroniques intéressantes, qui se combinent bien avec son faible coût de fabrication. «Cette pérovskite possède des atomes lourds, ce qui offre une coupe transversale de diffusion élevée pour les photons, et fait de ce matériau un candidat parfait pour la détection des rayons X», affirme Endre Horváth, chimiste de l’équipe de recherche.

Les résultats étaient époustouflants. La méthode a produit des détecteurs de rayons X d’une sensibilité sans précédent et une amélioration quatre fois supérieure à celle des appareils d’imagerie médicale les plus performants.

«En utilisant des pérovskites photovoltaïques avec du graphène, la réponse aux rayons X a considérablement augmenté», affirme László Forró. «Cela signifie que si on utilisait ces modules en imagerie radiographique, la dose de rayons X nécessaire pour générer une image pourrait être diminuée de plus de mille fois, réduisant ainsi les risques sanitaires de ce rayonnement ionisant à haute énergie.»

Un autre avantage du détecteur de pérovskite-graphène est qu’il peut être utilisé pour créer facilement des images. «Vous n’avez pas besoin de photomultiplicateurs sophistiqués ni d’électronique complexe», ajoute László Forró. «Cela pourrait être un réel avantage pour les pays en développement.»

L’étude est publiée dans ACS Nano .