Silicio Poroso Drogato e Raggi Gamma: Sveliamo un Rivelatore Teorico Rivoluzionario?

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel mondo della nanofotonica e della rivelazione di radiazioni. Parleremo di come materiali apparentemente semplici, come il silicio (sì, proprio quello dei chip!), possano essere trasformati in strumenti incredibilmente sofisticati. Nello specifico, vi racconterò del nostro studio teorico su un nuovo tipo di rivelatore per i temibili raggi gamma, basato su silicio poroso drogato inserito in una struttura molto particolare, quasi periodica, ispirata alla famosa sequenza di Cantor.

I raggi gamma sono una forma di radiazione elettromagnetica ad altissima energia. Sono utili in medicina (pensate alla radioterapia o alla diagnostica per immagini) e nell’industria, ma possono anche essere molto pericolosi. Per questo, avere rivelatori sensibili ed efficienti è fondamentale, sia per monitorare l’ambiente (ad esempio vicino alle centrali nucleari), sia per scopi di sicurezza (individuare materiali nucleari illeciti) o in ambito scientifico.

Ma come funziona il nostro approccio? Cristalli Fotonici e Silicio Poroso

Avete mai sentito parlare di cristalli fotonici (PC)? Immaginateli come materiali speciali, costruiti artificialmente, in cui l’indice di rifrazione (una misura di come la luce attraversa un materiale) cambia periodicamente nello spazio. Questa struttura ordinata crea quello che chiamiamo “photonic bandgap” (PBG), una sorta di “intervallo proibito” per certe frequenze (o colori) della luce: le onde elettromagnetiche con quelle frequenze semplicemente non possono passare attraverso il cristallo e vengono riflesse. È un po’ come un filtro super selettivo per la luce!

Noi abbiamo lavorato con cristalli fotonici unidimensionali (1D-PC), che sono essenzialmente pile di strati sottili con indici di rifrazione diversi. Tra questi materiali, il silicio poroso (PSi) è una vera star. Si ottiene “scavando” minuscoli pori nel silicio normale, creando una superficie enorme e rendendolo molto sensibile a ciò che lo circonda. È anche relativamente facile ed economico da produrre.

La Magia della Sequenza di Cantor e il “Difetto” Rivelatore

Per rendere le cose ancora più interessanti, non abbiamo usato una struttura periodica semplice, ma una struttura quasi-periodica basata sulla sequenza di Cantor. Queste strutture (che chiamiamo CS-PC) hanno proprietà uniche, come la capacità di creare accoppiamenti tra diversi tipi di risonanze, potenziando enormemente la sensibilità dei sensori.

Il cuore del nostro rivelatore teorico è questo: prendiamo due di queste strutture CS-PC e le separiamo con uno strato sottile “speciale”. Questo strato è fatto di silicio poroso (PSi) che abbiamo “drogato” (cioè, in cui abbiamo inserito) un nanocomposito polimerico a base di ossido di polietilene (PNCEO). Questo nanocomposito è il nostro materiale sensibile ai raggi gamma.

Come funziona la rivelazione? Quando i raggi gamma colpiscono questo strato di difetto (il PSi drogato con PNCEO), ne alterano le proprietà, in particolare il suo indice di rifrazione. Questa modifica, anche se piccola, causa uno spostamento misurabile di un picco di trasmissione molto stretto che appare all’interno del bandgap fotonico della struttura CS-PC. Misurando di quanto si sposta questo picco, possiamo determinare la dose di radiazione gamma ricevuta. È un meccanismo elegante e potenzialmente molto preciso!

Ottimizzazione: Doping, Porosità e Numero di Celle

Ovviamente, progettare un buon rivelatore richiede un sacco di “tuning”. Ci siamo chiesti: drogare ulteriormente il nostro nanocomposito PNCEO con ioduro di potassio (KI) potrebbe migliorare le prestazioni? Il KI è spesso usato per aumentare la conduttività in questi polimeri. Abbiamo simulato l’effetto di diverse concentrazioni di KI, basandoci su dati sperimentali esistenti sull’indice di rifrazione del PNCEO irradiato. Sorpresa: i risultati teorici mostrano che il doping con KI ha un effetto negativo! Riduce la variazione dell’indice di rifrazione indotta dai raggi gamma, e quindi peggiora la sensibilità del nostro rivelatore. Quindi, via il KI, meglio il PNCEO puro nel silicio poroso.

Poi abbiamo giocato con la porosità dello strato di silicio. Aumentare la porosità (cioè la percentuale di “vuoto” riempito dal PNCEO) ha un effetto interessante:

• Aumenta lo spostamento del picco, e quindi la sensibilità (ottimo!).
• Purtroppo, allarga anche un po’ il picco (aumenta la FWHM – Full Width at Half Maximum), il che riduce altri parametri di qualità come il fattore Q e il Figure of Merit (FoM) (meno buono).

Abbiamo scoperto che una porosità del 30% rappresenta un buon compromesso, massimizzando la sensibilità senza degradare troppo la qualità del segnale. Oltre il 30%, il picco rischiava di uscire dal bandgap.

Infine, abbiamo ottimizzato il numero di ripetizioni (N) della sequenza di Cantor su entrambi i lati del difetto. Aumentare N rende i bordi del bandgap più netti e il picco di trasmissione più stretto (FWHM minore), il che migliora drasticamente il fattore Q e il FoM. Tuttavia, troppe ripetizioni (oltre N=8 o 9 nel nostro caso) possono iniziare a “soffocare” il segnale per alcune dosi intermedie, probabilmente a causa di assorbimento e scattering. Abbiamo trovato che N=8 celle per lato, combinato con un aggiustamento dello spessore dello strato di difetto (portato a 150 nm), dava i risultati migliori e più stabili per tutte le dosi simulate.

Prestazioni da Campioni: Sensibilità Elevatissima a Basse Dosi

E quindi, quali sono le prestazioni finali del nostro progetto teorico? Sono davvero promettenti!

• Per basse dosi di raggi gamma (da 0 a 100 Gray, Gy), il rivelatore mostra una sensibilità altissima: 0.218 nanometri (nm) di spostamento del picco per ogni Gray di radiazione assorbita. Questo è un valore eccellente!
• Per dosi più alte (da 100 a 200 Gy), la sensibilità è moderata, pari a 0.131 nm/Gy. Questa diminuzione è probabilmente legata alla risposta non lineare dell’indice di rifrazione del polimero a dosi elevate.
• Il fattore di qualità (Q) a basse dosi è stellare (oltre 1.6 milioni!), indicando un picco estremamente definito, che permette misure molto precise. Anche a dosi più alte, rimane buono (circa 27.000).

Questi risultati, specialmente l’alta sensibilità a basse dosi, suggeriscono che il nostro rivelatore teorico potrebbe essere particolarmente efficace per applicazioni di monitoraggio ambientale o di sicurezza, dove è cruciale rilevare anche piccole quantità di radiazione. Confrontando con altri studi su rivelatori simili, il nostro design basato su CS-PC con silicio poroso drogato con PNCEO si distingue per le sue eccellenti prestazioni, in particolare per l’alto fattore Q.

In conclusione, il nostro studio teorico ha delineato un percorso promettente per la realizzazione di rivelatori di raggi gamma miniaturizzati, altamente sensibili e selettivi. Sfruttando le proprietà uniche dei cristalli fotonici quasi-periodici di Cantor e la sensibilità del silicio poroso drogato con nanocompositi polimerici, abbiamo progettato sulla carta un dispositivo capace di discriminare accuratamente diverse dosi di radiazione gamma, eccellendo in particolare nel regime di basse dosi. Certo, questa è ancora una simulazione teorica, ma apre la porta a future realizzazioni sperimentali che potrebbero rivoluzionare il modo in cui monitoriamo e gestiamo le radiazioni gamma.

Fonte: Springer