Perowskit-Druck auf Graphen: ein einzigartiger Röntgendetektor

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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

Mit Hilfe des 3D-Aerosoldrucks von Perowskiten auf Graphen haben Wissenschaftler der EPFL Röntgendetektoren von bisher unerreichter Empfindlichkeit hergestellt. Dieser Durchbruch kann die Effizienz medizinischer Bildgebungsgeräte erheblich verbessern und gleichzeitig deren Kosten und die damit verbundenen Gesundheitsrisiken reduzieren.

Seit ihrer Entdeckung durch Wilhelm Röntgen im Jahr 1895 ist die Röntgenstrahlung aus der medizinischen Bildgebung nicht mehr wegzudenken. Tatsächlich machten Ärzte in Connecticut weniger als einen Monat nach der Veröffentlichung von Röntgens berühmtem Artikel die erste Röntgenaufnahme des gebrochenen Handgelenks eines Jungen.

Seitdem sind viele Fortschritte gemacht worden. Abgesehen von den Röntgenaufnahmen, die die meisten Menschen mindestens einmal in ihrem Leben machen, gehören zu den aktuellen medizinischen Anwendungen von Röntgenstrahlen die Fluoroskopie, die Strahlentherapie bei Krebs und die Computertomographie, bei der mehrere Röntgenaufnahmen des Körpers aus verschiedenen Winkeln gemacht und dann in einem Computer kombiniert werden, um virtuelle Querschnitte des Körpers zu erzeugen.

Die medizinische Bildgebung arbeitet jedoch oft unter niedrigen Belichtungsbedingungen und erfordert daher wirtschaftliche, hochauflösende Detektoren, die bei "niedrigem Photonenfluss" arbeiten können. Der Photonenfluss beschreibt einfach die Anzahl der Photonen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt auf den Detektor treffen und bestimmt die Anzahl der Elektronen, die dieser wiederum erzeugt.

Wissenschaftler unter der Leitung von László Forró von der Fakultät für Grundlagenwissenschaften haben nun ein solches Gerät entwickelt. Mit Hilfe des 3D-Aerosol-Jet-Drucks haben sie eine neue Methode zur Herstellung hocheffizienter Röntgendetektoren entwickelt, die einfach in Standard-Mikroelektronik integriert werden können, um die Leistung medizinischer Bildgebungsgeräte deutlich zu verbessern.

Die neuen Detektoren bestehen aus Graphen und Perowskiten, das sind Materialien, die auf organischen Verbindungen basieren, die an ein Metall gebunden sind. Sie sind vielseitig, leicht zu synthetisieren und stehen an der Spitze einer Vielzahl von Anwendungen, darunter Solarzellen, LED-Beleuchtung, Laser und Photodetektoren.

Der Aerosol-Jet-Druck ist relativ neu. Es wird verwendet, um 3D-gedruckte elektronische Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren, Antennen, Sensoren und Dünnschichttransistoren herzustellen oder auch um elektronische Komponenten auf ein bestimmtes Substrat, wie z. B. ein Mobiltelefon, zu drucken.

Mit dem Aerosol-Jet-Drucker am CSEM in Neuchâtel druckten die Forscher 3D-Perowskit-Schichten auf ein Graphen-Substrat. Die Idee ist, dass in einem Bauelement der Perowskit als Photonendetektor und Elektronenentlader fungiert, während das Graphen das ausgehende elektrische Signal verstärkt.

Das Forscherteam verwendete Blei-Methylammoniumjodid-Perowskit (MAPbI3), das in letzter Zeit aufgrund seiner interessanten optoelektronischen Eigenschaften, die sich gut mit den niedrigen Herstellungskosten kombinieren lassen, in den Fokus gerückt ist. "Dieser Perowskit besitzt schwere Atome, was für einen hohen Diffusionsquerschnitt für Photonen sorgt und das Material zu einem perfekten Kandidaten für den Röntgendetektor macht", sagt Endre Horváth, Chemiker im Forschungsteam.

Die Ergebnisse waren verblüffend. Die Methode produzierte Röntgendetektoren mit einer noch nie dagewesenen Empfindlichkeit und einer vierfachen Verbesserung gegenüber den leistungsfähigsten medizinischen Bildgebungsgeräten.

"Durch die Verwendung von photovoltaischen Perowskiten mit Graphen hat sich die Reaktion auf Röntgenstrahlen deutlich erhöht", sagt László Forró. "Das heißt, wenn diese Module in der Röntgenbildgebung eingesetzt würden, könnte die für die Erzeugung eines Bildes erforderliche Röntgendosis um mehr als das Tausendfache reduziert werden, was die Gesundheitsrisiken dieser hochenergetischen ionisierenden Strahlung verringert."

Ein weiterer Vorteil des Perowskit-Graphen-Detektors ist, dass sich mit ihm auf einfache Weise Bilder erzeugen lassen. "Man braucht keine ausgeklügelten Photomultiplier oder komplexe Elektronik", ergänzt László Forró. "Das könnte ein echter Vorteil für Entwicklungsländer sein."

Die Studie ist in ACS Nano veröffentlicht.