Einkristall misst Radioaktivität

Günstige Detektoren für Gammastrahlung

20.09.2016 | RAINER KLOSE
Ein Forschungsteam  der Empa und der ETH Zürich hat Einkristalle aus Blei-Halogenid-Perowskiten entwickelt, die radioaktive Strahlung sehr exakt messen können. Erste Experimente haben gezeigt, dass solche Kristalle, die aus wässrigen Lösungen oder günstigen Lösungsmitteln hergestellt werden können, ebenso gut funktionieren wie die bisher gebräuchlichen Halbleiter aus Cadmiumtellurid, deren Herstellung wesentlich aufwändiger ist. Die Entdeckung könnte den Preis vieler Radio-Detektoren deutlich senken – etwa bei Scannern im Sicherheitsbereich, bei tragbaren Dosimetern in Kraftwerken und bei Messgeräten in der medizinischen Diagnostik.
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Wenn instabile Isotope zerfallen, entstehen fast immer Gammastrahlen. Um radioaktive Substanzen zu erkennen, braucht es also Gamma-Detektoren, die günstig und hochempfindlich sind und bei Raumtemperatur arbeiten. Geeignete Substanzen zu finden, ist nicht ganz einfach, wie Maksym V. Kovalenko, Professor an der ETH Zürich und Forschungsgruppenleiter an der Empa erläutert: Der gesuchte Kristall, der bei Raumtemperatur Gammastrahlen erkennt, muss eine hohe elektronische Qualität besitzen. Das heisst, die Ladungsträger im Kristall müssen äusserst mobil sein und eine lange Lebensdauer besitzen, um das Signal in Form eines elektrischen Impulses zuverlässig weiterzuleiten. Ausserdem muss der Kristall aus schweren Elementen bestehen, damit die energiereiche Gammastrahlung überhaupt eingefangen werden kann. Last but not least muss es möglich sein, aus dem gewünschten Stoff grosse Einkristalle wachsen zu lassen, die unempfindlich gegen Bruch und Temperaturschwankungen sein müssen.
Klassische Becherglas-Chemie

Bisher war vor allem Cadmiumtellurid (CdTe) für diese Eigenschaften bekannt. Doch der Stoff, aus dem auch Dünnschicht-Solarzellen produziert werden, ist nicht wasserlöslich und schmilzt erst bei über 1000 Grad Celsius. Die Herstellung von Detektor-Kristallen ist daher aufwändig und teuer. Kovalenko und seinem Forscherteam ist es nun gelungen, Halbleiterkristalle einer anderen Stoffklasse (Blei-Halogen-Perowskite) in klassischer Becherglas-Chemie herzustellen. Die hochempfindlichen Detektorkristalle können Gammastrahlen sichtbar machen, kosten jedoch nur wenige Schweizer Franken pro Kristall, wie die Forscher vor kurzem in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ berichteten. Eine mögliche Anwendung wäre ein Mini-Geigerzähler, der an Smartphones angeschlossen werden kann. So könnten Menschen in radioaktiv verseuchten Gebieten zum Beispiel jedes ihrer Lebensmittel einzeln auf Radioaktivität testen.

Anwendungen in der Gehirndiagnostik

Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet der neuen Kristalle ist die Diagnostik von Stoffwechselproblemen im Gehirn. Störungen an Dopamin-Rezeptoren können viele Folgen haben: Parkinson, Schizophrenie, Hyperaktivität (ADHS), soziale Angststörungen oder Drogen- und Alkoholsucht. Diagnostiziert werden solche Störungen, indem Patienten radioaktive Tracer-Substanzen verabreicht werden, die in der Magnetresonanztomographie (MRI) Hirnaktivitäten sichtbar machen. Das Verabreichen radioaktiver Substanzen ist nicht ungefährlich: Ist die Substanz unrein, drohen Gesundheitsschäden. Das Überprüfen der Reinheit muss jedoch sehr schnell geschehen, weil die Tracer-Substanz eine geringe Halbwertzeit hat, also rasch zerfällt.

Um die „Fähigkeiten“ der Blei-Halogen-Perowskite zu demonstrieren, hat Kovalenkos Team den neuen Einkristall-Detektor für die Isotopenreinheitskontrolle von 18F-Fallyprid eingesetzt, eine Tracer-Substanz, die klinisch in Studien über Dopamin-Rezeptoren benutzt wird. 18F-Fallyprid ist radioaktiv und hat eine Halbwertszeit von 110 Minuten – es bleibt also zwischen Herstellung und Injektion nur wenig Zeit, die Substanz auf ihre radiochemische Reinheit zu untersuchen.

Bisher werden die Messungen in einem aufwändigen, zweistufigen Prozess durchgeführt: Zuerst wird die Substanz mit dem Hochleistungsflüssigkeitschromatographie-Verfahren getrennt; in einem zweiten Schritt wird die Radioaktivität mit einem Detektor gemessen. Mit dem neuen Einkristall liess sich dieser zweistufige Prozess erfolgreich auf einen einzigen, einfachen Schritt reduzieren. Der Kristall muss lediglich vor die Tracer-Substanz gehalten werden, dann können die Ergebnisse auf dem angeschlossenen Messgerät abgelesen werden.

Informationen

Prof. Dr. Maksym Kovalenko
Thin Films and Photovoltaics
Tel. +41 58 765 45 57


Redaktion / Medienkontakt
Rainer Klose
Kommunikation
Tel. +41 58 765 47 33

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Literatur

Nature Photonics 10, 585–589 (2016) doi:10.1038/nphoton.2016.139


Fluoreszenzfarbstoffe der neuesten Generation

Einkristalle aus Bleihalogenid-Perowskiten eigenen sich nicht nur zur Messung von Radioaktivität, sondern auch, um brillante Leuchtfarben herzustellen. Maksym Kovalenkos Team experimentiert bereits seit längerem mit Bleihalogeniden und fand 2015 heraus, dass kolloidale Lösungen aus Nanokristallen dieser Substanzen eine helle Photoluminiszenz erzeugen – sich also als Leuchtfarben sehr gut eignen würden. Nun entdeckte das Team eine einfache Herstellungsmethode für solche Nanokristalle: Die Forscherinnen und Forscher tränkten Kieselerde einer bestimmten Porengrösse mit einer Bleihalogenid-Salzlösung. In den Poren der Kieselerde entstanden nach dem Trocknen Nanokristalle von definierter Grösse, die je nach chemischem Feintuning der Perowskite in verschiedenen Farben leuchten. Das Leuchten kann mit sichtbarem oder mit UV-Licht ausgelöst werden.

Solche Blei-Halogenid-Silikatpulver leuchten extrem hell, sind unempfindlich gegen Oxidation und darüber hinaus recht einfach herzustellen, wie die Forscher vor kurzem in einer Studie in der Fachzeitschrift «Nano Letters» berichteten. Sie könnten schon bald herkömmliche, auf Phosphor basierende Leuchtstoffe ersetzen und zum Beispiel in LCD-Bildschirmen zum Einsatz kommen.

Nano Letters 16 (9), 5866-5874 (2016); doi: 10.1021/acs.nanolett.6b02688