Perowskit-Druck auf Graphen: ein einzigartiger Röntgendetektor

Seit Wilhelm Röntgen sie 1895 entdeckte, sind Röntgenstrahlen ein fester Bestandteil der medizinischen Bildgebung geworden. Kaum einen Monat nach der Veröffentlichung von Röntgens berühmter Arbeit, machten Ärzte in Connecticut die erste Röntgenaufnahme des gebrochenen Handgelenks eines Jungen.

Seitdem hat es viele Fortschritte gegeben. Abgesehen von Röntgenaufnahmen, die die meisten Menschen mindestens einmal in ihrem Leben gemacht haben, werden Röntgenstrahlen heute in der Medizin unter anderem für die Fluoroskopie, die Strahlentherapie bei Krebs und die Computertomographie (CT) verwendet, bei der mehrere Röntgenaufnahmen des Körpers aus verschiedenen Winkeln gemacht und dann in einem Computer kombiniert werden, um virtuelle Querschnitts-«Scheiben» eines Körpers zu erzeugen.

Dennoch arbeitet die medizinische Bildgebung oft mit geringen Belichtungsbedingungen und benötigt daher kostengünstige, hochauflösende Detektoren, die mit einem so genannten «niedrigen Photonenfluss» arbeiten können. Der Photonenfluss beschreibt einfach, wie viele Photonen zu einem bestimmten Zeitpunkt auf den Detektor treffen und bestimmt die Anzahl der Elektronen, die dieser wiederum erzeugt.

Nun haben Wissenschaftlerinnen um László Forró an der Fakultät für Grundlagenwissenschaften genau eine solche Geräteeinheit entwickelt. Mit Hilfe des angewandten 3D-Aerosol-Jet-Printings entwickelten sie eine neuartige Methode zur Herstellung hocheffizienter Röntgendetektoren, die sich leicht in die Standard-Mikroelektronik integrieren lassen und die Leistungsfähigkeit medizinischer Bildgebungsgeräte erheblich verbessern.

Die neuen Detektoren bestehen aus Graphen und Perowskiten – Materialien aus organischen Verbindungen, die an ein Metall gebunden sind. Sie sind vielseitig einsetzbar, leicht zu synthetisieren und stehen an der Spitze einer breiten Palette von Anwendungen, unter anderem in Solarzellen, LED-Leuchten, Lasern und Photodetektoren.

Das Aerosol-Jet-Printing ist relativ neu und wird verwendet, um 3D-gedruckte elektronische Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren, Antennen, Sensoren und Dünnfilmtransistoren herzustellen oder sogar Elektronik auf ein bestimmtes Substrat zu drucken, wie z. B. das Gehäuse eines Mobiltelefons.

Mit der Aerosol-Jet-Druckanlage am CSEM in Neuchâtel druckten die Forschenden Perowskit-Schichten im 3D-Druck auf ein Graphen-Substrat. Die Idee dahinter ist, dass in einem Gerät das Perowskit als Photonendetektor und Elektronenentlader fungiert, während das Graphen das ausgehende elektrische Signal verstärkt.

Schematische Darstellung des in dieser Studie entwickelten Aerosol Jet Printing-Verfahrens. Die gerührte Methylammonium-Bleijodid-Perowskit-Lösung wird durch den Stickstoff (N2) auf eine vordefinierte Position an der Düse fokussiert. Die Besonderheit des Materials ist, dass sich die gebildeten Nanokristalle im Flug nicht auf dem Graphen-Substrat ausbreiten, was die Schaffung von 3D-Architektur ermöglicht. Bildrechte: Glushkova et al ACS Nano.

Das Forschendenteam verwendete den Methylammonium-Blei-Iodid-Perowskit (MAPbI3), der in letzter Zeit wegen seiner faszinierenden optoelektronischen Eigenschaften, die einhergehen mit niedrigen Herstellungskosten, viel Aufmerksamkeit erregt hat. «Dieser Perowskit hat schwere Atome, die einen hohen Streuquerschnitt für Photonen bieten, was dieses Material zu einem perfekten Kandidaten für die Röntgendetektion macht», sagt Endre Horváth, der Chemiker des Forschungsteams.

Die Ergebnisse waren verblüffend. Die Methode produzierte Röntgendetektoren mit einer Rekordempfindlichkeit und einer vierfachen Verbesserung gegenüber den besten medizinischen Bildgebungsgeräten.

«Durch die Verwendung von photovoltaischen Perowskiten mit Graphen hat sich die Reaktion auf Röntgenstrahlen enorm erhöht», sagt Forró. «Das bedeutet, wenn wir diese Module in der Röntgenbildgebung einsetzen würden, könnte die erforderliche Röntgendosis für die Erstellung eines Bildes um mehr als das Tausendfache gesenkt werden, was die Gesundheitsgefährdung durch diese hochenergetische ionisierende Strahlung für den Menschen verringert.»

Ein weiterer Vorteil des Perowskit-Graphen-Detektors ist, dass man mit ihm Bilder einfach erzeugen kann. «Es braucht keine ausgeklügelten Photomultiplier oder komplexe Elektronik», sagt Forró. «Das könnte ein echter Vorteil für Entwicklungsländer sein.»