Распад большинства радиоактивных изотопов включает излучение гамма-фотонов с энергиями от 50 кэВ до 10 МэВ. Датчики такого жесткого излучения, которые являются недорогими, высокочувствительными и работают при температурах окружающей среды, желаемы для многочисленных применений в защите и медицине, а также в исследованиях. В статье [1] было продемонстрировано, что монокристаллы полупроводниковых гибридных перовскитов галогенида свинца могут служить твердотельными, обнаруживающими гамма-излучение материалами.
Последние несколько лет стали свидетелями быстрого развития нового класса солнечных элементов на основе перовскитов органо-неорганических галогенидов. Металлические галогенидные полупроводники с перовскитной кристаллической структурой включают появляющийся класс оптикоэлектронных материалов. Выдающаяся терпимость оптических и электронных характеристик к структурным дефектам, найденным в перовскитах метиламмоний галогенида свинца, позволила множество оптико- электронных применений, таких как недорогие солнечные батарейки с гарантированной эффективностью преобразования мощности, которые превышают 21%, широкополосные и узкополосные фотодетекторы, работающие в ультрафиолетовом, видимом, близком инфракрасном и мягком рентгеновском спектре, а также светоэмиссионные диоды и лазеры.
Полупроводник является эффективным твердотельным гамма- детектором, когда он одновременно показывает несколько отличных особенностей: высокое удельное сопротивление (≤1010 Ом•см), малую величину средней энергии, расходуемой заряженной частицей на создание одной пары носителей заряда, отсутствие рекомбинации и захвата носителей, большую подвижность носителей заряда обоих знаков [2] и большое среднее атомное число (Z) для достаточной поглотительной способности высокоэнергетических фотонов. Большинству из этих условий удовлетворяют монокристаллические полупроводники, где транспорт носителей заряда не ограничен рассеянием и ловушками на границах зерна. Однако доступность таких полупроводников с большими атомными числами Z в монокристаллических формах достаточно больших размеров, которые являются и химически, и механически прочными, ограничена. Очень немного материалов, как известно, отвечают этим требованиям при комнатной температуре [3], и до сих пор только сверхчистые монокристаллы теллурида кадмия и теллурида кадмия–цинка, обычно выращиваемые плавлением методом Чохральского, были коммерчески применимы [4]. В целом, из-за этих строгих требований, цены на твердотельные полупроводниковые детекторы возрастают от видимого света до жесткого излучения двумя - тремя порядками величины [1].
Целью работы является проверка применимости монокристаллов метиламмоний йодид свинца для создания доступных по стоимости и методу производства полупроводниковых детекторов гамма-излучения.
Задачи:
• проведение порошкового рентгенодифракционного анализа реагентов и получившихся кристаллов; определение элементного состава порошковых образцов с помощью рентгенофлюоресцентного спектрометра;
• измерение проводимости и фотопроводимости образцов монокристаллов метиламмоний йодид свинца.
Солнечные элементы перовскитной структуры быстро поднялись на передний край новых фотогальванических технологий, демонстрируя быстро растущую эффективность и дальнейшие перспективы использования в качестве материала твердотельных детекторов ионизирующего излучения.
При исследования монокристаллов метиламмоний йодид свинца были проведены рентгенодифракционный анализ участников и продукта реакции синтеза, рентгенофлуоресцентный анализ, измерены электрическая и фотопроводимость вещества. По результатам выполненной работы были сделаны следующие выводы:
1. Рентгеновская дифракция и рентгенофлуоресцентный анализ показали соответствие параметров синтезированных в КФУ монокристаллов метиламмоний йодид свинца известным литературным данным.
2. Измерения проводимости и фотопроводимости монокристаллов в контактной паре с индий-галлиевым сплавом дают значения удельной проводимости, согласующиеся с литературными данными по порядку величины. Кроме этого обнаруживается вклад ионной проводимости.
3. Инерционные эффекты, обусловленные ионным вкладом в проводимость, препятствуют получению отклика на отдельные ионизирующие частицы и ограничивают применение данного материала для создания детекторов ионизирующих излучений.
Целью работы являлось проверка применимости монокристаллов метиламмоний йодид свинца для создания доступных по стоимости и методу производства полупроводниковых детекторов гамма-излучения. Однако химическая неустойчивость перовскитов, и особенно их ионная динамика, вызывающая гистерезис в веществе метиламмоний йодид свинца, препятствуют его использованию в качестве полупроводникового материала для детекторов ионизирующего излучения.
Распространенной версией причины этого является ионная проводимость. При освещении и приложенном напряжении отрицательно заряженные I- анионы мигрируют к катоду, когда как положительные MA-катионы ‒ к аноду, эффективно создавая барьер экстракции для обоих типов носителей. Это объясняет наблюдаемые s-образные кривые ВАХ, а также чувствительность к предыдущей истории смещения ВАХ. Вполне вероятно, что в ближайшем будущем решение этого своеобразного артефакта приведет к увеличению производительности перовскитных материалов и разработке их применения.
