Solutions haute résolution et ultrastables avec des nanocristaux anti-pérovskite sans plomb

Dans les domaines de l’inspection des matériaux, des diagnostics médicaux, des découvertes astronomiques et de la recherche scientifique, la demande de méthodes d’imagerie par rayons X à haute résolution et ultrastables a déclenché une recherche ardente de matériaux innovants sensibles aux rayons X. Ces matériaux recherchés doivent posséder des qualités exceptionnelles telles qu’une atténuation élevée des rayons X, une scintillation efficace, une décroissance rapide de la lumière et une durabilité robuste.

Parmi eux, les pérovskites à base d’halogénure de plomb sont devenus un concurrent incontournable en raison de leur efficacité de luminescence remarquable, de leurs capacités supérieures d’atténuation des rayons X et de leurs courtes durées de vie de fluorescence. Cependant, leur application dans le domaine de la scintillation est entravée par la toxicité du plomb, un métal lourd (Pb), le faible rendement de photons causé par les effets d’auto-absorption et la mauvaise stabilité à l’irradiation des rayons X.

Briser les barrières : Nanocristaux anti-perovskite sans plomb

Pour surmonter ces défis, les chercheurs ont cherché des solutions dans les halogénures métalliques zéro dimension (0D) sans plomb, tels que les halogénures à base de cuivre, d’argent, de zirconium et de manganèse. Ces alternatives intrigantes se sont révélées prometteuses en tant que scintillateurs efficaces pour la détection et l’imagerie par rayons X, offrant des rendements photoniques élevés, diverses options de composition et de structure et un mécanisme de luminescence unique connu sous le nom d’excitons auto-piégés (STE).

Cependant, un obstacle majeur réside dans la fabrication de ces halogénures métalliques sous forme de films minces ou de plaquettes, ce qui entraîne une résolution d’imagerie inférieure à la moyenne en raison de la diffusion de la lumière causée par les grosses particules et les limites cristallines. De plus, les halogénures métalliques 0D sans plomb sont confrontés à des défis liés à une mauvaise stabilité, en particulier dans les environnements chauds et humides.

Dans une percée rapportée dans Photonique avancée, des chercheurs de l’Université de technologie de Chine du Sud ont développé une approche pionnière qui révolutionne l’imagerie par rayons X. Ils ont réalisé une imagerie par rayons X haute résolution et ultra-stable, même dans des conditions exigeantes de température et d’humidité élevées. La clé : des nanocristaux anti-pérovskite Cs3MnBr5 sans plomb intégrés dans une matrice de verre.

Contrairement aux matériaux pérovskites traditionnels, les anti-perovskites possèdent une structure distinctive représentée par [MX4]XA3 [A = alkali metal; M = transition metal; and X = chlorine (Cl), bromine (Br), and iodine (I)]. Cette configuration unique comporte un centre de luminescence, le [MX4]2- tétraèdre, niché dans un squelette anti-perovskite octaédrique tridimensionnel (3D) XA6. Cette structure réduit considérablement l’interaction du centre de luminescence, favorisant des effets de confinement spatial améliorés et produisant finalement une efficacité quantique et une stabilité de luminescence élevées.

Grâce au processus de cristallisation in situ pendant le recuit, les ions Mn2+ sont parfaitement intégrés dans la matrice de verre, donnant lieu à des couleurs de luminescence accordables allant du rouge au vert, comme dicté par le programme de recuit. De plus, le verre incrusté de nanocristaux Cs3MnBr5 présente une stabilité aux rayons X, une stabilité thermique et une résistance à l’eau inégalées.

Remarquablement, il possède également une limite de détection exceptionnelle des rayons X (767 nanograys par seconde), une impressionnante résolution spatiale d’imagerie par rayons X (19,1 paires de lignes par millimètre) et une stabilité exceptionnelle de la dose d’irradiation des rayons X (5,775 milligrays par seconde).

Ce travail présente un nouveau schéma intrigant qui exploite le potentiel des composites vitreux transparents incorporant des nanocristaux d’halogénure anti-perovskite sans plomb pour des applications d’imagerie par rayons X à haute résolution et ultrastables. Les résultats de cette recherche pourraient servir de catalyseur, stimulant l’exploration et le développement de nouveaux matériaux anti-pérovskites aux halogénures métalliques. En fin de compte, cette découverte ouvre la voie au développement futur d’appareils d’imagerie à rayons X de nouvelle génération, promettant des avancées transformatrices dans le domaine du diagnostic et de l’imagerie par rayons X.