SCINTILLATING NANOCOMPOSITES BASED ON LEAD HALIDE PEROVSKITE NANOCRYSTALS

In recent years, perovskite nanocrystals (CsPbX3, with X = Cl, Br, I) have emerged as a new class of materials for photonic and optoelectronic applications due to their exceptional synthetic scalability through solution-based processes, room-temperature fabrication and remarkable physical properties such as high emission efficiency and defect tolerance. Additionally, these materials possess tunable optical properties through controlled adjustments of their size and composition. Over the course of my three-year research project, I focused on the use of perovskite nanocrystals for scintillation applications, with particular emphasis on the synthesis and characterization of polymer-based perovskite nanocomposites. These nanomaterials were found to exhibit two characteristics of considerable interest for scintillation: high radiation resistance (up to 1 MGy without compromising optical properties) and rapid scintillation, with decay times around 200 ps for CsPbCl3 and 1.1 ns for CsPbBr3. The articles published within the scope of my thesis work include, in addition to studies on synthesis and characterization, theoretical models explaining the scintillation of these nanostructures and the ultra-fast characteristics of their scintillation emission, attributed to multi-exciton generation within the material. During a research period at BCMaterials (Bilbao, Spain), I also gained expertise in computational chemistry, which proved useful for performing delicate polymer encapsulation of the nanostructures. Specifically, I conducted DFT calculations to analyze defects within the nanocrystals and molecular dynamics simulations to study ligand shell behavior on these structures. Importantly, some of the nanocomposites produced were tested in high-energy physics experiments at CERN (Geneva, Switzerland), where radiation hardness and ultra-fast scintillation are essential requirements. Finally, the application of these materials was explored also for their potential use in medical diagnostics, particularly as detectors for the ToF-PET system, whose operation requires ultra-fast scintillation to achieve high spatial precision in the detection of neoplasms.

Negli ultimi anni, i nanocristalli di perovskite (CsPbX₃, con X = Cl, Br, I) si sono affermati come una nuova classe di materiali per applicazioni fotoniche e fotoelettroniche, grazie alla straordinaria scalabilità dei loro approcci di sintesi tramite processi in soluzione, alla facilità di fabbricazione a bassa temperatura e alle eccezionali proprietà fisiche, quali l’efficienza di emissione e la tolleranza ai difetti. Questi materiali presentano inoltre proprietà ottiche sintonizzabili mediante il controllo di dimensioni e composizione. Nel corso del mio progetto di ricerca triennale, mi sono concentrato sull’impiego di nanocristalli di perovskite per applicazioni nel campo della scintillazione, con particolare attenzione alla sintesi e caratterizzazione di nanocompositi polimerici a base di perovskite. È stato riscontrato che tali nanomateriali possiedono due caratteristiche di notevole interesse per la scintillazione: elevata resistenza alle radiazioni, fino a 1 MGy senza compromettere le proprietà ottiche, e una rapidità di scintillazione, con tempi di decadimento di circa 200 ps per CsPbCl₃ e 1,1 ns per CsPbBr₃. Gli articoli pubblicati nell’ambito del mio lavoro di tesi riportano, oltre agli studi di sintesi e caratterizzazione, modelli teorici sulla scintillazione di queste nanostrutture, volti a spiegare le proprietà ultra-rapide della loro emissione luminosa, attribuite alla generazione di multi-eccitoni all’interno del materiale. Durante un periodo di ricerca presso BCMaterials (Bilbao, Spagna), ho inoltre acquisito competenze in chimica computazionale utili per eseguire nel modo più delicato possibile l’incapsulamento nel polimero delle nanostrutture. In particolare, ho eseguito calcoli DFT per l’analisi dei difetti nei nanocristalli e simulazioni di dinamica molecolare per studiare il comportamento della shell di ligandi su di questi. Importantemente, alcuni nanocompositi realizzati sono stati oggetto di sperimentazioni presso il CERN (Ginevra, Svizzera) nell’ambito della fisica delle alte energie, dove i requisiti di "radiation hardness" e scintillazione ultra-veloce risultano essenziali. Infine, l’applicazione di tali materiali è stata esplorata per il loro potenziale impiego nella diagnostica medica, in particolare come rivelatori per il sistema ToF-PET, il cui funzionamento richiede una scintillazione ultra-rapida per ottenere elevata precisione spaziale nella rilevazione di neoplasie.