Ladungsträgertransport- und Rekombinationsmechanismen in Perowskit-X/γ-Strahlendetektoren (SENSE)

• Antragstellerin: Professorin Dr. Olena Maslyanchuk
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546734407

Die Detektion und Spektroskopie von X- und γ-Strahlung (X/γ-Strahlung), insbesondere Halbleiterdetektorsysteme, die bei Raumtemperatur betrieben werden können, finden zunehmend Anwendung in verschiedensten Bereichen wie nationaler Sicherheit, Medizin, industrieller Prozessüberwachung, Astronomie, Hochenergiephysik, radioaktiver Abfallbewirtschaftung, Umweltsanierung und Materialcharakterisierung. Die Metalhalid-Perowskite (MHP) sind eine neue Halbleiterfamilie mit großem Potenzial in verschiedenen optoelektronischen Geräten wie Solarzellen, Lichtemissionsdioden, Lasern und X/γ-Strahlendetektoren. Neben ihrer einstellbaren Energiebandlücke, hoher elektrischer Widerstandsfähigkeit, großem Trägerbeweglichkeits-Laufzeit-Produkt sowie den hohen Atomnummern der Bestandteile ermöglichen MHP auch einen kostengünstigen und niedrigtemperaturigen Herstellungsprozess, was sie zu einer attraktiven Alternative zu herkömmlichen Halbleitern wie Si, Ge, CdTe und Cd(Zn)Te für den Einsatz in X/γ-Strahlendetektoren macht. Trotz des Fortschritts auf diesem Gebiet bleiben jedoch viele grundlegende Fragen offen. Die aufgezeigte Effizienz der Perowskitdetektion weist erhebliches Defizit aufgrund von Ladungssammlungsverlusten (Rekombination) auf, das mit Verteilungen von Defektdichten innerhalb des Perowskitvolumens und seiner Schnittstellen zu den Transportlagen und/oder elektrischen Kontakten verbunden ist. Eine genaue Charakterisierung der Herkunft, Entwicklung und Größenordnung dieser Defektdichten sowie das Verständnis der Besonderheiten der Ladungstransportprozesse unter Berücksichtigung der ionischen Leitung sind daher von höchster Bedeutung, um die Rekombinationsverluste in diesen Geräten zu minimieren. Die Aufdeckung dieser grundlegenden physikalischen Probleme und die Suche nach Wegen zu ihrer Überwindung stellen eine zentrale wissenschaftliche Frage dieses Projekts dar. Ausgehend von der Frage, wie effiziente Perowskit-Bulkdetektoren mit verfügbaren und kostengünstigeren technologischen Prozessen hergestellt werden können, wird sich dieses Projekt auf einen sequenziellen Ansatz konzentrieren: (i) Synthese, Charakterisierung und Anpassung der Eigenschaften von MHP-Einkristallen und polykristallinen Wafern, die durch mechanisch-chemisches Kugelmahlen synthetisierten Pulver gepresst werden, die für die Herstellung effektiver X/γ-Strahlendetektoren geeignet sind; (ii) Herstellung von ohmschen- und Schottky-Detektoren; (iii) Untersuchung und Modellierung der Ladungsträgerdynamik; (iv) Funktionsprüfung zur Bewertung der Leistungsfähigkeit und der Stabilität der Detektoren. Diese Charakterisierungsstrategie wird die herausragenden Eigenschaften von Perowskiten und Gerätearchitekturen stimulieren, die Modifikationswege bieten, um neue leistungsstarke und stabile anorganische und hybride Perowskit-X/γ-Strahlendetektoren auf Basis von aus Lösungen gezüchteten Einkristallen und polykristallinen Wafern, zu erreichen.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle