Кристаллы перовскита быстро завоевывают признание в области солнечной энергетики благодаря своей впечатляющей способности преобразовывать фотоны в электричество. Но теперь ученые изменили этот процесс, чтобы вместо этого улавливать нейтроны, создав эффективный детектор утечек радиоактивных материалов.
Перовскиты - это класс минералов с кристаллической структурой, которая делает их очень эффективными при взаимодействии с фотонами. Наиболее заметное применение - перовскитные солнечные элементы, эффективность которых резко возросла за немногим более десяти лет, достигнув 25,5% в одиночку или 29,15% в сочетании с кремнием.
Но их использование может выходить за рамки производства электричества из света. Этот же механизм можно использовать в качестве датчика освещенности - если устройство испускает разряд электричества, значит, откуда-то идет свет. И теперь группа исследователей адаптировала этот процесс, помимо фотонов, к новому типу субатомных частиц - нейтрону. Свободные нейтроны испускаются в результате ядерных реакций, поэтому устройство на основе перовскита можно использовать для обнаружения утечек на атомных электростанциях или радиоактивных материалов, которые неправильно хранятся или транспортируются.
В частности, гибридный перовскит, использованный в этом исследовании, представлял собой соединение, называемое трибромидом метиламмония и свинца. Кристаллы этого материала были подвергнуты воздействию нейтронного источника, и, конечно же, возникло достаточно крошечных электрических токов. Нейтроны проникают в ядра атомов кристалла, переводя их в более высокое энергетическое состояние. При переходе из возбужденного состояния в основное происходит быстрый распад с излучением гамма-лучей, которые заряжают перовскит и создают измеримый ток.
Проблема заключалась в том, что этот ток был слишком мал, чтобы иметь практическое применение. И поэтому, команда усилила его, добавив тонкий слой металлического гадолиния, который достигает более высокого уровня энергии, чем только перовскит, таким образом производя больше гамма-фотонов и создавая более мощный электрический ток. Затем его можно передать через угольный электрод в вольтметр или измеритель тока.
Блок монокристалла перовскита CH3NH3PbBr3, содержащий гадолиний Gd2O3 (выделен), который действует как детектор нейтронов, которые могут указывать на радиоактивность. Фото: 2021 M. Kollár
В окончательной версии детектора исследователи вырастили кристалл перовскита вокруг фольги гадолиния, так что последний был полностью поглощен первой. Это еще больше усилило сигнал и даже позволило измерить направление и размер нейтронного потока. Используемые материалы обладают и другими преимуществами.
«Это просто, дешево и рентабельно», - говорит Ласло Форро (László Forró), автор исследования. «Это принципиальное доказательство того, что это работает. А теперь мы можем подумать о конфигурации для очень эффективного детектора».
Исследование было опубликовано в журнале Scientific Reports.
