Kristalle für sensible Röntgensensoren

Die Röntgenbildgebung ist in der medizinischen Diagnostik und Materialforschung unverzichtbar. Um ein Bild zu erzeugen, wandelt ein Detektor die Röntgenstrahlen, die das Objekt durchdrungen haben, von einem Detektor in elektrische Signale um. Je empfindlicher diese Detektoren reagieren, desto niedriger kann die Strahlenbelastung für die Probe ausfallen. Insbesondere in medizinischen Anwendungen wäre dies sehr günstig. Einem Team um die Röntgendetektor-Expertin Olena Maslyanchuk am Helmholtz-Zentrum Berlin HZB ist es nun gelungen, die Eignung von zwei neuen Materialien als hocheffiziente Röntgendetektoren nachzuweisen.

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Es handelt sich dabei um organisch-anorganische Hybridmaterialien, inspiriert von den Halid-Perowskiten, die für optoelektronische Anwendungen interessant sind,  [(CH₃CH₂)₃S]₆Bi₈I₃₀ und [(CH₃CH₂)₃S]AgBiI₅, beide mit dem Element Wismut. Sie wurden zuerst von Allan Starkholm für seine Promotion am Royal Institute of Technology, Stockholm, untersucht, der jetzt als Postdoc am HZB forscht. „Sie sind ideal für die Röntgendetektion“, sagt Starkholm und begründet dies mit den hohen Ordnungszahlen, geeigneten Bandlücken und einzigartigen strukturellen Eigenschaften: „Sie enthalten stabile Sulfoniumkationen, die eine bessere Langlebigkeit im Einsatz versprechen, anstelle der traditionell verwendeten hygroskopischen Ammoniumkationen.“

In Zusammenarbeit mit der BAM-Expertin Franziska Emmerling wurde anschließend ein besonders umweltfreundliches Herstellungsverfahren genutzt, das ohne Lösungsmittel auskommt: das Kugelmahlen. Dabei entstehen polykristalline Pulver, die zu dichten Pellets gepresst werden. Diese Verfahren sind auch in der Industrie etabliert. Getestet wurden die Pellets als Flachdetektoren für Röntgenstrahlung in der Gruppe von Felix Lang an der Universität Potsdam. „Die Ergebnisse zeigen, dass sie selbst über lange Zeiträume besser funktionieren als derzeit handelsübliche Detektoren“, sagt Starkholm. „Tatsächlich weisen sie eine um bis zu zwei Größenordnungen höhere Empfindlichkeit auf als handelsübliche Materialien wie amorphes Selen oder CdZnTe – und können fast fünfzigmal niedrigere Röntgendosen detektieren“, sagt Starkholm.

Neben umfangreichen Analysen im Labor konnte das Team die Proben auch an der KMC-3-XPP-Beamline der Bessy II untersuchen. Die Detektoren zeigten bei längerer gepulster Röntgenbestrahlung unter hohem Photonenfluss eine stabile Reaktion, ohne dass nach der Bestrahlung eine messbare Leistungsminderung festgestellt wurde, was die Robustheit des Materials belegt. „Diese Ergebnisse zeigen, wie spannend es sein kann, die Forschung an Hybridmaterialien am HZB über die Photovoltaik hinaus auszuweiten, sowohl innerhalb als auch außerhalb des Perowskitbereichs. Unsere Studie belegt, dass diese völlig neuen Materialien auf Wismutbasis hervorragende Kandidaten für die Röntgendetektion sind. Mit empfindlicheren Röntgendetektoren könnte die Strahlenbelastung bei der Röntgenbildgebung deutlich reduziert werden“, sagt Olena Maslyanchuk.

Der nächste Schritt ist der Technologietransfer. „Es gibt so viele spannende Unternehmen in Adlershof, mit denen wir zusammenarbeiten könnten, um die Entwicklung solcher Röntgendetektoren zu optimieren“, sagt Starkholm.

HZB / JOL