Phát hiện bức xạ ion hóa (như tia X, tia γ, hạt α, β và neutron) là yêu cầu cốt lõi trong nhiều lĩnh vực từ y học hạt nhân, an ninh quốc phòng đến vật lý hạt năng lượng cao. Các vật liệu nhấp nháy (scintillator), những chất phát ra ánh sáng khi hấp thụ bức xạ, chính là “trái tim” của những thiết bị này. Tuy nhiên, việc lựa chọn truyền thống như tinh thể vô cơ (LaBr₃, LSO…) rất đắt đỏ, khó chế tạo quy mô lớn, còn vật liệu nhựa (plastic scintillators) tuy rẻ, nhẹ và linh hoạt nhưng lại có hiệu suất phát quang kém và độ bền phóng xạ thấp.
Gần đây, vật liệu perovskite halide, đặc biệt là dạng tinh thể nano CsPbBr₃, nổi lên như một ứng viên thay thế nhờ đặc tính phát quang mạnh, thời gian phản ứng nhanh, khả năng chịu lỗi cấu trúc và tiềm năng tổng hợp giá rẻ. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất vẫn là làm sao chế tạo được vật liệu quy mô lớn, bền vững trong môi trường polyme mà vẫn giữ được hiệu suất quang học cao. Các nhà khoa học đã nghiên cứu và đưa ra một đột phá mới: phát triển thành công vật liệu nanocomposite scintillator trên cơ sở CsPbBr₃ với hiệu suất lượng tử phát quang đạt tới 90%, chịu được liều phóng xạ đến 1 MGy, và thời gian phát sáng siêu nhanh dưới 80 ps – một bước tiến lớn cho các ứng dụng yêu cầu độ phân giải thời gian cực cao.
Quy trình tổng hợp tinh thể nano CsPbBr₃ được thực hiện hoàn toàn ở điều kiện nhiệt độ phòng bằng kỹ thuật nhũ tương siêu tốc (turbo-emulsification). Trong phản ứng, PbBr₂ và TBAB (tỉ lệ mol 1:1) được hòa tan ở 80°C trong hỗn hợp oleylamine, acid propionic và isopropanol. Sau khi dung dịch nguội, nó được trộn nhanh với dung dịch Cs₂CO₃ trong hệ dung môi heptane/isopropanol (2:1) dưới tốc độ khuấy 15.000 vòng/phút. Kết quả là dung dịch chuyển sang màu vàng tươi và phát huỳnh quang xanh lá dưới ánh sáng thường – biểu hiện đặc trưng của CsPbBr₃. Sau khi rửa bằng isopropanol và ly tâm, lượng sản phẩm khô thu được là 8 gam, có kích thước trung bình 13 ± 3 nm (rộng) và 5 ± 1 nm (dày). Tinh thể nano này sau đó được phân tán vào hỗn hợp monomer methyl methacrylate (MMA) và lauryl methacrylate (LMA) cùng chất khơi mào quang 365 nm. Hỗn hợp được trùng hợp tạo thành tấm nanocomposite trong suốt, có kích thước lên tới 60 × 50 × 0.3 cm. Điều đặc biệt là trong quá trình trùng hợp, tinh thể nano tiếp tục “chín”, biến đổi từ trạng thái ban đầu thành cấu trúc đồng nhất, loại bỏ các khuyết tật bề mặt, giúp tăng hiệu suất lượng tử phát sáng.
Các phép đo phổ hấp thụ và phát quang cho thấy sự biến đổi từ phổ đa đỉnh lúc đầu sang đỉnh duy nhất tại 2.4 eV, với độ rộng phổ (FWHM) chỉ 17 nm (78 meV). Phân tích thời gian sống cho thấy thời gian phát quang τPL ≈ 11 ns, đồng nhất trên toàn bộ phổ phát xạ – một chỉ dấu mạnh cho thấy trạng thái exciton đơn phát xạ là chủ yếu. Quan trọng hơn, hiệu suất lượng tử phát quang (PLQY) tăng từ 43% lên 90% trong quá trình trùng hợp. Phân tích NMR thời gian cũng chỉ ra rằng tương tác giữa NCs và chuỗi polymer làm tăng phần pha cứng trong polyme (từ 59% lên 66%), chứng tỏ độ phân tán đồng đều và tương thích tốt giữa hai pha. Tất cả kết quả cho thấy quy trình này không chỉ tạo ra tinh thể nano phát quang hiệu suất cao mà còn đảm bảo phân tán đồng đều trong nền polymer – yếu tố then chốt cho hiệu suất scintillation.
Một trong những đặc tính nổi bật nhất của vật liệu này là khả năng chịu phóng xạ rất cao. Các mẫu nanocomposite chứa 0.1 wt% tinh thể nano được chiếu xạ bằng tia γ từ nguồn Co-60 với liều tích lũy lên tới 1 MGy, tương đương liều phơi nhiễm bên trong các lò phản ứng hạt nhân hoặc vùng từ trường máy gia tốc hạt lớn (LHC). Sau chiếu xạ, phổ hấp thụ, phổ phát xạ RL, hiệu suất phát quang, và hình thái hạt dưới TEM gần như không thay đổi. Phân tích FTIR cho thấy không có sự suy giảm trong cấu trúc polymer. Điều này khẳng định cả vật liệu nano CsPbBr₃ và nền polymer PMMA–PLMA đều có khả năng kháng bức xạ cực tốt, thậm chí tốt hơn các loại nhựa scintillator thương mại.
Phép đo phát quang theo thời gian (Time-Correlated Single Photon Counting) dưới kích thích tia X cho thấy tốc độ phát sáng cực nhanh. Khoảng 30% photon được phát ra chỉ trong vòng 80 ps. Với các mẫu có tải lượng nano từ 0.05 đến 0.8 wt%, thời gian sống hiệu dụng (τEFF) tăng dần từ 1.13 đến 4.1 ns, trong khi số photon phát ra cho 511 keV γ tăng từ 238 lên tới 2323 photon. Từ đây, độ phân giải thời gian (CTR) được ước tính dao động 39–90 ps, đủ để ứng dụng cho TOF-PET thế hệ mới. Phân tích phổ hấp thụ chuyển tiếp (TA) và PL kích thích bằng synchrotron cho thấy cơ chế phát xạ chủ yếu do sự tái tổ hợp của multiexciton và exciton tích điện, trong đó phân rã Auger không bức xạ (AR) đóng vai trò chính trong thành phần phát xạ dưới 0.6 ns. Mô phỏng số học chỉ ra rằng dù AR có làm tăng tốc phát xạ và giảm một phần hiệu suất lượng tử, nó không ảnh hưởng đến độ phân giải thời gian – một phát hiện rất đáng chú ý cho việc tối ưu hóa mật độ nano mà không lo bị “quenching” thời gian.
Với các đặc điểm ưu việt như:
- Hiệu suất phát sáng cao (4800 ph/MeV);
- Phản hồi siêu nhanh (30% photon dưới 80 ps);
- Độ bền phóng xạ đến 1 MGy;
- Tổng hợp quy mô lớn, giá rẻ;
Loại nanocomposite scintillator này có thể ứng dụng trực tiếp trong các thiết bị hiện đại như:
- TOF-PET thế hệ mới với độ phân giải sub-50 ps;
- Cảm biến bức xạ cá nhân hoặc cầm tay cho an ninh hạt nhân;
- Thiết bị đo thời gian bay trong máy gia tốc;
- Hệ thống phát hiện tia gamma vũ trụ trong vật lý thiên văn.
So với các vật liệu hiện có, đây là ứng viên rất mạnh cho thế hệ scintillator tiếp theo, đặc biệt ở các môi trường đòi hỏi cao về thời gian và độ bền.
Từ khóa: bức xạ; nanocomposite
– CMD –
