Scintillation pathways in lead halide perovskite nanocrystals in liquid and solid media
Voies de scintillation dans les nanocristaux de pérovskites halogénées en milieux liquides et solides
Résumé
The presented work describes the strategies explored during this PhD project in order to optimize the performances of lead halide perovskite nanocrystals as scintillators, either in a liquid or solid form. In particular, this project focuses on strategies aiming to overcome the conflicting parameters impacted by lead halide perovskite nanocrystals short Stokes shift: increasing the nanocrystals concentration would be beneficial for the overall system’s stopping power towards ionizing radiations, but on the other hand the light self-absorption limits the concentration increase. Thus, this thesis manuscript describes some studies developed to enhance the scintillating performances of such nanostructures, in either liquid or solid media, overcoming their limited possible loading in their host. As a first approach, halide perovskite nanocrystals have recently arose high interest in the liquid scintillation field, again owing to their bright and tuneable light emissions, their fast decay time and high effective atomic number: nevertheless, the energy deposition mechanisms in such lead halide perovskite nanocrystals and the factors limiting their performances has yet to be explored. Liquid scintillation results then as an interesting topic and opportunity to study the interaction between perovskite nanocrystals and their surrounding media: in particular, great attention is focused in this work on the energy deposition mechanism and on the eventual interaction between the dispersed nanocrystals and the surrounding solvent. As a matter of facts, if the mechanism does involve energy transfers from the solvent to the colloids, similarly to what happens in traditional organic liquid scintillators, this would overcome the overall density issue, as the first energy collector would be the solvent. A similarly conceived approach to artificially engineer lead halide perovskite nanocrystals’ Stokes shift is coupling them with a surrounding partner material, like a bulk crystal or similar perovskite nanostructures with slightly different bandgaps. The latter’s role would be to collect the incoming ionizing radiation, modulate it and transfer it to the chosen, lowest bandgap, final emitter: an optimal transfer would artificially enlarge the overall system’s Stokes shift, thus entailing a high light emission from the final perovskite NCs without having to increase their concentration, thus without increasing the risk of light re-absorption.
Le travail présenté décrit les stratégies explorées au cours de ce projet de thèse afin d'optimiser les performances des nanocristaux de pérovskites halogénées à base de plomb en tant que scintillateurs, sous forme liquide ou solide. En particulier, ce projet se concentre sur des stratégies visant à surmonter les paramètres conflictuels impactés par le court décalage de Stokes de ces nanocristaux : en général, augmenter la quantité de matière serait bénéfique pour le pouvoir d'arrêt global du système envers les rayonnements ionisants, mais d'un autre côté, l'auto-absorption de la lumière due au court décalage de Stokes limite l'augmentation de la concentration. Ainsi, ce manuscrit de thèse décrit les études développées pour améliorer les performances scintillantes de telles nanostructures, en milieu liquide ou solide, en surmontant la limite de quantité chargeable dans leur hôte. En tant que première approche, les nanocristaux de pérovskites halogénées à base de plomb ont récemment suscité un grand intérêt dans le domaine de la scintillation liquide, toujours en raison de leurs émissions lumineuses brillantes et réglables, de leur temps de luminescence très rapide et de leur numéro atomique effectif élevé ; néanmoins, les mécanismes de dépôt d'énergie dans de telles pérovskites halogénées et les facteurs limitant leurs performances restent encore à explorer. La scintillation liquide apparaît alors comme un sujet intéressant et une opportunité pour étudier l'interaction entre les nanocristaux de pérovskite et leurs milieux environnants : en particulier, une grande attention est portée dans ce travail sur le mécanisme de dépôt d'énergie et sur l'éventuelle interaction entre les nanocristaux dispersés et le solvant environnant. En fait, si le mécanisme implique des transferts d’énergie du solvant vers les colloïdes, similairement à ce qui se produit dans les scintillateurs liquides organiques traditionnels, cela résoudrait le problème global de densité, car le premier collecteur d’énergie serait le solvant. Une approche conçue de manière similaire pour modifier artificiellement le décalage de Stokes des nanocristaux de pérovskites halogénées à base de plomb consiste à les coupler à un matériau partenaire environnant, comme un cristal massif ou des nanostructures de pérovskite similaires avec des bandes interdites légèrement différentes. Le rôle de ce dernier serait de collecter le rayonnement ionisant entrant, de le moduler et de le transférer vers l'émetteur final choisi, à bande interdite la plus basse : un transfert optimal agrandirait artificiellement le décalage de Stokes du système global, entraînant ainsi une émission lumineuse élevée des NC pérovskites finaux sans avoir à augmenter leur concentration, donc sans augmenter le risque de réabsorption de la lumière.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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