Исследование радиационных процессов в гибридных галидных перовскитах под облучением электронами
Исследование радиационных процессов в гибридных галидных перовскитах под облучением электронами
Аннотация
Проведено численное моделирование взаимодействия 10 МэВ электронов с гибридными перовскитами CsxFA1-xPbI3 и CsxMA1-xPbI3 с использованием инструментария GEANT4. Исследовано влияние вариации катионного состава на характер радиационных процессов, включая ионизацию, фотоэффект, комптоновское и рэлеевское рассеяние, а также энергетические потери. Установлено, что увеличение доли Cs+ (атомный номер Z = 55) приводит к росту доли процессов ионизации и фотоэлектронного поглощения, что связано с повышением атомного номера и плотности материала. При этом доля комптоновского и рэлеевского рассеяний изменяется слабо, несмотря на перераспределение катионов. Отмечено также, что с ростом Cs+ увеличивается суммарное поглощение энергии, однако наблюдается одновременное снижение неионизационных потерь, связанных с образованием радиационно-индуцированных дефектов. Полученные результаты позволяют оценить радиационную устойчивость различных перовскитных составов и могут быть полезны для подбора оптимального материала для космических и ядерно-фотонных приложений.
1. Введение
В последние годы перовскитные материалы привлекают всё большее внимание в оптоэлектронике благодаря их выдающимся свойствам: сильному поглощению света, настраиваемой ширине запрещённой зоны, высокой квантовой эффективности фотолюминесценции, простоте синтеза и структурной гибкости ,
. Эти особенности обеспечили перовскитам внедрение в солнечные элементы, светоизлучающие диоды и фотодетекторы, при этом эффективность преобразования энергии перовскитных солнечных элементов уже превысила 26% . Уникальное сочетание лёгкости, эффективности и невысокой стоимости делает их перспективными и для космических приложений: в условиях невесомости и ограниченных массогабаритных параметров важно иметь энергетические технологии с высоким отношением мощности к массе , .Однако эксплуатация перовскитов в космосе сопряжена с рядом проблем: термическими циклами, ультрафиолетовым излучением и главным образом — воздействием ионизирующих частиц (протонов, электронов, нейтронов, тяжёлых ионов). Под облучением в этих материалах появляются вакансии, смещения атомы и электронные возбуждения, а порождённые первичными частицами вторичные усилительно повреждают кристаллическую решётку, что приводит к снижению эффективности, увеличению токов утечки и другим дефектам
, , , . Поэтому несмотря на очевидные преимущества, гибридные галидные перовскиты остаются ограниченными по радиационной стойкости, особенно при высокоэнергетическом облучении.В настоящей работе с помощью метода Монте-Карло в пакете GEANT4
, мы смоделировали взаимодействие 10 МэВ электронов с перовскитами CsxFA1-xPbI3 и CsxMA1-xPbI3, чтобы выяснить, как изменение катионного состава влияет на соотношение актов ионизации, фотоэффекта, комптоновского и рэлеевского рассеяний.2. Методы и принципы исследования
Для моделирования влияние радиационного воздействия электронов с энергией 10 МэВ на гибридные галидные перовскитные материалы со смешанным цезий-органическим катионом (CsxFA1-xPbI3 и CsxMA1-xPbI3, где x — доля катиона в составе, FA и MA — органические катионы формамидиния и метиламмония, соответственно) использовался инструментарий GEANT4. Моделирование проводилось для толстых (1 см) образцов перовскитных материалов. Типичная толщина активного перовскитного слоя в солнечной панели составляет 200–500 нм. Однако для понимания процессов, происходящих в таких материалах, необходимо моделировать либо большие потоки падающего излучения, либо увеличивать толщину образцов. Программная среда GEANT4 позволяет моделировать потоки до 9,9·109 частиц/см2. Однако расчет при таком значении потока требует значительного времени и вычислительных ресурсов. В то же время моделирование слоя толщиной 1 см по сравнению со слоем 0,5 мкм позволяет увеличить количество возможных событий в 2·106 раз. Таким образом, толщина 1 см и поток 105 частиц/см2 позволяют получить то же количество событий, что и в активном перовскитном слое толщиной 500 нм при потоке 1011 частиц/см2.
Материалы были заданы с учетом атомного состава (заряд, атомная масса), массовой доли каждого элемента в веществе, плотности и геометрических размеров.
Задан список физики электромагнитных процессов, используемый для описания взаимодействий заряженных частиц и фотонов с веществом и предназначенный для задач, требующих высокой точности в широком энергетическом диапазоне: для описания комптоновского рассеяния использовалась модель Клейна–Нишина, которая при низких энергиях сводится к расчёту по формуле Томсона, а при высоких энергиях учитывает релятивистские эффекты, для моделирования множественного рассеяния частиц применялась модель G4UrbanMscModel, позволяющая более точно учитывать отклонения траекторий частиц при взаимодействии с ядрами атомов среды, особенно в материалах с высокой плотностью
, .Были добавлены следующие процессы: транспорт частиц через вещество и распад короткоживущих частиц G4Decay, а также радиоактивный распад частиц и продуктов ядерных реакций G4RadioactiveDecayBase.
Для анализа процессов на перовскитах были исследованы некоторые эффекты взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. На рисунках 1–3 представлены зависимости характеристик взаимодействия от процентного содержания цезия в составах перовскитных материалов.
Рисунок 1 - Зависимость числа процессов ионизации (a) и фотоэффекта (b) от процентного содержания цезия в составе перовскитов
Рисунок 2 - Зависимость числа процессов комптоновского (a) и рэлеевского (b) рассеяний от процентного содержания цезия в составе перовскитов
Рисунок 3 - Зависимость поглощенной энергии (a) и неионизационных потерь (b) от процентного содержания цезия в составе перовскитов
В частности, увеличение доли Cs+ приводит к заметному росту числа актов ионизации (рис. 1a) и фотоэффекта (рис. 2b). Это объясняется тем, что замена лёгких органических катионов MA+ и FA+ на тяжелый неорганический Cs+ повышает среднюю электронную плотность материала и увеличивает вероятность передачи энергии упруго-слабосвязанным электронам, в результате чего растёт частота образования свободных носителей заряда и фотоэлектронов.
В случае комптоновского рассеяния (рис. 2a) наблюдается лишь умеренный и плавный рост сечения с увеличением Cs+, без резких скачков между соседними значениями, поскольку массовый коэффициент эффекта Комптона пропорционален отношению Z/A и при регулярном приросте Z при замене катионов изменяется незначительно, оставаясь главным образом чувствительным к общей электронной плотности, а не к деталям электронной структуры каждого вида катиона.
Напротив, кривая Рэлеевского рассеяния (рис. 2b) демонстрирует более выраженные флуктуации: при общем росте сечения с ростом Z отдельные точки характеризуются небольшими «скачками» величины. Такие нерегулярные изменения обусловлены тем, что когерентное рассеяние зависит от атомных формфакторов, отражающих распределение электронов в оболочке конкретного атома. При смешении органических и неорганических катионов структура электронной оболочки решётки изменяется не монотонно, что проявляется в виде флуктуаций на графике.
Рисунок 3a показывает, что вместе с увеличением доли Cs+ существенно возрастает суммарная поглощённая энергия. Это связано как с ростом кулоновских столкновений из-за большего числа электронов на единицу объёма, так и с усилением тормозного излучения на электронной подсистеме атомов с высоким Z и последующим поглощением излучения. При этом на рисунке 3b отчётливо прослеживается обратная тенденция: доля неионизационных потерь энергии (NIEL), связанных с образованием дефектов кристаллической решётки, уменьшается. По мере роста Z всё больше энергии уходит на излучательные процессы и ионизацию, а прямые выбивания атомов и смещения узлов кристаллической решётки становятся менее вероятными. Это делает обогащённые по цезию перовскиты более «излучательно ёмкими» и одновременно менее подверженными радиационным дефектам, что важно учитывать при выборе состава для применения в условиях интенсивного электронного облучения.
3. Заключение
Увеличение доли Cs+ в составе гибридных перовскитов приводит к росту общего поглощения энергии при взаимодействии с высокоэнергетическими электронами. Это связано с тем, что введение тяжёлого элемента с высоким атомным номером (Z = 55) повышает вероятность ключевых процессов взаимодействия, таких как ионизация и фотоэффект. Таким образом, материалы, обогащённые цезием, характеризуются большей энергетической ёмкостью и способны эффективно поглощать энергию излучения.
Одновременно с этим наблюдается снижение неионизационных энергетических потерь, связанных с образованием радиационно-индуцированных дефектов в кристаллической решётке. Это указывает на то, что при определённом уровне цезия материал становится менее чувствительным к структурным повреждениям, что положительно сказывается на его радиационной стойкости. Подобные характеристики особенно важны для приложений в условиях интенсивного радиационного фона, например, в космосе или при эксплуатации вблизи источников ионизирующего излучения.
Тем не менее, для более полной и достоверной оценки радиационной устойчивости перовскитов необходимы дальнейшие исследования. В частности, следует рассмотреть воздействие не только электронов, но и других типов частиц — протонов, нейтронов, тяжёлых ионов — а также варьировать их энергию в широком диапазоне. Важно также учитывать спектральные и флюэнсные характеристики космического излучения, моделируя условия, приближенные к реальным эксплуатационным сценариям. Это позволит получить более комплексную картину поведения перовскитных материалов в агрессивных радиационных средах и определить оптимальные составы для конкретных прикладных задач.