Un cristal de pérovskite géant pour la détection des rayons gamma

Les pérovskites sont des matériaux constitués de composés organiques associés à un métal. En première ligne dans la recherche sur les matériaux en raison de leur structure et de leurs propriétés, les pérovskites sont destinées à un vaste champ d’applications, dont les cellules photovoltaïques, les éclairages à LED, les lasers et les photodétecteurs.

Cette dernière application, la photodétection ou détection par la lumière, intéresse tout particulièrement les scientifiques de la Faculté des Sciences de Base de l’EPFL qui ont mis au point une pérovskite capable de détecter les rayons gamma. Sous la direction des laboratoires des professeurs László Forró et Andreas Pautz, les chercheurs ont publié leurs travaux dans la revue Advanced Science.

« Ce cristal de pérovskite photovoltaïque, cultivé jusqu’à un poids de l’ordre du kilogramme, change la donne », déclare László Forró. « Vous pouvez le couper en tranches, comme le silicium, pour des applications opto-électroniques, et, dans cet article, nous démontrons son utilité dans la détection des rayons gamma. »

Contrôle des rayons gamma

Les rayons gamma sont un type de rayonnement électromagnétique pénétrant qui est produit à partir de la désintégration radioactive de noyaux atomiques, par exemple lors d’explosions nucléaires ou même de supernovae. Les rayons gamma sont sur l’extrémité la plus courte du spectre électromagnétique, ce qui signifie qu’ils ont la plus haute fréquence et l’énergie la plus forte. De ce fait, ils peuvent pénétrer presque tous les matériaux, et sont couramment utilisés dans la sécurité intérieure, l’astronomie, l’industrie, les centrales nucléaires, le suivi environnemental, la recherche et même la médecine pour détecter et contrôler les tumeurs et l’ostéoporose.

Mais parce que les rayons gamma peuvent affecter les tissus biologiques, nous devons les surveiller. Pour ce faire, nous avons besoin de détecteurs de rayons gamma simples, fiables et économiques. La pérovskite mise au point par les scientifiques de l’EPFL est à base de cristaux de bromure de plomb de méthylammonium (MAPbBr3) et semble être un candidat parfait car il réunit toutes ces exigences.

Avantages des cristaux

Les pérovskites sont d’abord cultivées comme des cristaux. Leur qualité et leur clarté déterminent l’efficacité du matériau lorsqu’il est transformé en films minces qui peuvent être utilisés dans des appareils comme les panneaux solaires.

Les cristaux de pérovskite créés par les scientifiques de l’EPFL présentent une grande clarté avec de très faibles impuretés. En testant les rayons gamma sur les cristaux, ils ont découvert qu’ils généraient des photoporteurs avec un produit « mobilité par durée de vie » élevé, ce qui est une mesure de la qualité des détecteurs de rayonnement. En bref, la pérovskite peut détecter efficacement les rayons gamma aux températures ambiantes, simplement par la mesure de la résistivité.

Synthèse plus économique et évolutive

Le MAPbBr3 fait partie de la famille de pérovskites « halogénures métalliques ». Autrement dit, contrairement aux cristaux leaders du marché, ses cristaux peuvent être développés à partir de matières brutes disponibles en abondance et à faible coût. La synthèse a lieu dans des solutions dont la température est proche de la température ambiante, sans recourir à du matériel onéreux.

Bien entendu, ce n’est pas la première pérovskite créée pour la détection des rayons gamma. Mais le volume de la plupart des pérovskites aux halogénures métalliques cultivées en laboratoire et utilisées à cette fin est limité à environ 1,2 ml, ce qui est difficilement adaptable aux niveaux de production commerciale. Toutefois, l’équipe de l’EPFL a également développé une méthode unique appelée « intercroissance orientée cristal-cristal » qui lui a permis de produire un litre de cristaux d’un poids total de 3,8 kg.

« Personnellement, j’ai beaucoup aimé travailler sur les frontières communes de la physique de la matière condensée, de la chimie et de la physique des réacteurs, et je suis ravi de voir que cette collaboration pourrait aboutir à des applications importantes dans la société », affirme Pavao Andričević, l’auteur principal de l’article.

Auteur: Nik Papageorgiou

Financement : Fonds national suisse de la recherche scientifique, Advanced Grant « PICOPROP » de l’ERC

Références : Pavao Andričević, Pavel Frajtag, Vincent Pierre Lamirand, Andreas Pautz, Márton Kollár, Bálint Náfrádi, Andrzej Sienkiewicz, Tonko Garma, László Forró, Endre Horváth. Kilogram-scale crystallogenesis of halide perovskites for gamma-rays dose rate measurements. Advanced Science 07 December 2020. DOI: 10.1002/advs.2020018828