Fabrication écologique de matériaux hybrides utilisés comme détecteurs de rayons X très sensibles
La production est respectueuse de l'environnement grâce au broyage à billes sans solvants
De nouveaux matériaux hybrides organiques-inorganiques à base de bismuth présentent une sensibilité et une stabilité à long terme exceptionnelles en tant que détecteurs de rayons X, nettement plus sensibles que les détecteurs de rayons X commerciaux. En outre, ces matériaux peuvent être produits sans solvants par broyage de billes, un processus de synthèse mécano-chimique respectueux de l'environnement et évolutif. Des détecteurs plus sensibles permettraient de réduire l'exposition aux rayonnements lors des examens radiologiques.
La poudre est finement broyée avec des billes, puis pressée en une pastille compacte qui peut être utilisée comme détecteur.
© BAM/HZB
L'imagerie par rayons X est indispensable au diagnostic médical et à la caractérisation des matériaux. Pour générer une image, un détecteur convertit les rayons X qui traversent l'objet en signaux électriques. Une plus grande sensibilité du détecteur permet de réduire les doses de rayonnement, ce qui est particulièrement important dans les applications médicales.
Les détecteurs de rayons X actuellement utilisés sont constitués de composés inorganiques d'éléments de numéros atomiques moyens à élevés. Ces dernières années, des composés inorganiques de pérovskite ont également été testés comme détecteurs de rayons X, avec de très bons résultats.
Inspiré par les matériaux pervoskites
Aujourd'hui, une équipe dirigée par le professeur Olena Maslyanchuk, expert en détecteurs de rayons X au HZB, a démontré que deux nouveaux matériaux hybrides organiques-inorganiques à base de bismuth peuvent être utilisés pour une détection de rayons X très efficace. Les deux matériaux à base de bismuth étudiés dans ce travail, [(CH3CH2)3S]6Bi8I30 et [(CH3CH2)3S]AgBiI5, ont été inspirés par l'émergence des pérovskites d'halogénure dans les dispositifs optoélectroniques et ont été étudiés pour la première fois par le Dr Allan Starkholm lors de sa thèse de doctorat à l'Institut royal de technologie de Stockholm, en Suède.
Les nombres atomiques élevés, les bandes interdites appropriées et les caractéristiques structurelles uniques font de ces pérovskites des matériaux idéaux pour la détection par rayons X", explique M. Starkholm. "Elles contiennent des cations sulfonium stables au lieu des cations ammonium hygroscopiques traditionnellement utilisés, ce qui est prometteur pour la stabilité à long terme".
Un processus de fabrication respectueux de l'environnement
En collaboration avec Franziska Emmerling, experte du BAM, un processus de fabrication particulièrement respectueux de l'environnement a été utilisé : le broyage à billes. Ce procédé permet d'obtenir des poudres polycristallines qui sont ensuite pressées pour former des granulés denses. Ces procédures sont également utilisées dans l'industrie.
Jusqu'à 50 fois plus sensible
En collaboration avec l'équipe du Dr Felix Lang de l'université de Potsdam, les nouveaux matériaux ont été évalués en vue de leur utilisation dans des détecteurs de rayons X. Les résultats montrent qu'ils sont plus performants que les autres matériaux. Les résultats montrent qu'ils sont plus performants que les détecteurs commerciaux actuels, même sur de longues périodes", explique M. Starkholm. En fait, ils présentent des sensibilités jusqu'à deux ordres de grandeur plus élevées que les matériaux commerciaux tels que le sélénium amorphe ou le CdZnTe, et peuvent détecter des doses de rayons X près de 50 fois inférieures", ajoute M. Starkholm.
Outre des analyses approfondies en laboratoire, l'équipe a également étudié les échantillons sur la ligne de faisceau KMC-3 XPP de BESSY II. Les détecteurs ont conservé une réponse stable pendant l'irradiation pulsée aux rayons X sous un flux de photons de haute intensité, sans dégradation mesurable des performances observée après l'exposition, ce qui met en évidence la robustesse des matériaux des détecteurs.
Perspectives de transfert de technologie
Nous avons montré que ces matériaux entièrement nouveaux à base de bismuth sont d'excellents candidats pour la détection des rayons X. Nos résultats ouvrent des perspectives intéressantes pour l'expansion des détecteurs hybrides. Nos résultats mettent en évidence des possibilités intéressantes d'étendre la recherche sur les matériaux hybrides au HZB au-delà de la photovoltaïque, à la fois dans le domaine de la pérovskite et au-delà. Des détecteurs de rayons X plus sensibles permettraient de réduire considérablement l'exposition aux rayonnements lors de l'imagerie par rayons X", déclare Olena Maslyanchuk.
Le transfert de technologie est la prochaine étape. Il existe à Adlershof un grand nombre d'entreprises passionnantes avec lesquelles nous pourrions collaborer pour optimiser le développement de ces détecteurs de rayons X", déclare M. Starkholm.
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Publication originale
Allan Starkholm, Dominik Al‐Sabbagh, Sema Sarisozen, Alexander von Reppert, Matthias Rössle, Markus Ostermann, Eva Unger, Franziska Emmerling, Lars Kloo, Per H. Svensson, Felix Lang, Olena Maslyanchuk; "Green Fabrication of Sulfonium‐Containing Bismuth Materials for High‐Sensitivity X‐Ray Detection"; Advanced Materials, 2025-4-10
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