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上海硅酸鹽所在金屬鹵化物閃爍晶體材料研究中取得系列進展
發布時間: 2021-04-30 17:17 | 【 【打印】【關閉】

  閃爍晶體作為輻射探測器的關鍵核心材料,已廣泛應用于高端醫學影像、國土安全、高能物理等領域。為滿足高性能能譜及成像探測器對靈敏度和置信度的要求,開發新型高光輸出、高能量分辨率的閃爍晶體材料已成為輻射探測領域的前沿研究方向之一。近年來,低維鈣鈦礦結構金屬鹵化物材料因具有限域激子發光特性、大斯托克斯位移和高熒光量子效率等特性,擁有無自吸收和高發光效率等優點,被認為是潛在的高性能閃爍材料。

  最近,中國科學院上海硅酸鹽研究所吳云濤研究員團隊(鹵化物閃爍晶體課題組)從功能基元序構的學術思想出發,提出并設計了一系列具有強自陷激子發光的低維鈣鈦礦金屬鹵化物閃爍材料,采用布里奇曼下降法制備并精選出若干不潮解、低熔點、高射線阻止能力、高光輸出、高能量分辨率、低余輝的新型金屬鹵化物閃爍單晶,通過實驗和理論計算揭示其限域激子閃爍發光機理。

  該團隊研制的一維鈣鈦礦結構CsCu2I3晶體擁有高密度(5.01g/cm3)、高有效原子序數(Zeff=50.6)、低熔點(371℃)、不潮解和無自吸收等優點。其發光來源為局域在[Cu2I6]4-多面體的自陷激子態,發光峰位于570nm。 CsCu2I3晶體擁有極低的X射線激發余輝(10毫秒處僅為0.008%),比商用CsI:Tl晶體低四個數量級。該研究結果以“Non-hygroscopic,self-absorption free, efficient 1D CsCu2I3 perovskite single crystal for radiation detection”為題發表于ACS Appl. Mater. Interfaces 13 (2021) 12198-12202.。

  該團隊研制的零維鈣鈦礦結構Cs3Cu2I5晶體同樣具有高密度(4.52g/cm3)、高有效原子序數(Zeff=52.2)、低熔點(383℃)、不潮解和無自吸收等優點。與一維結構材料相比,其零維結構材料的限域激子發光擁有更高的熒光量子效率(達到69.9%)。其X射線和伽馬射線激發下的光輸出可達30,000ph./MeV,能量分辨率(@662keV)優于3.4%。該研究成果以“Zero-dimensional Cs3Cu2I5 perovskite single crystal as sensitive X-ray and g-ray scintillator”為題發表于Phys. Status Solidi RRL 14 (2020) 2000374 1-4。

  該團隊針對Cs3Cu2I5晶體開展了離子摻雜優化研究。發現Tl+離子摻雜可將Cs3Cu2I5晶體的熒光量子效率從69.9%進一步提高至79.2%。該晶體材料X射線激發下光輸出可達到150,000 ph./MeV,為已知閃爍體中最高值,并且擁有極低的X射線檢測極限(66.3nGyair/s),僅是醫學X射線診斷要求的1/83。Cs3Cu2I5:Tl晶體也擁有優異伽馬射線探測能力,其光輸出可達87,000ph./MeV,662keV處的能量分辨率為3.4%。通過理論計算和實驗研究發現Tl摻雜提升Cs3Cu2I5晶體閃爍性能的主要原因是:Tl摻雜后發射光譜紅移減少了激發發射譜的重疊,從而降低了激子共振能量傳遞及缺陷處淬滅的幾率;形成的Tl0或Tl2+的庫倫場對電子和空穴的吸引會提升自陷激子態的形成概率;形成的Tl+束縛激子態可以提供額外的輻射躍遷中心,從而進一步提升發光效率。該研究成果以“Ultra-bright and highly efficient all-inorganic zero-dimensional perovskite scintillators”為題發表于Advanced Optical Materials (2021) DOI:10.1002/adom.2021004,并申請中國發明專利一項。

  相關研究工作得到了國家自然科學基金、上海市自然科學基金原創探索項目、上海市科委高新技術領域項目、張江重大專項等項目的資助和支持。該系列成果的第一作者為上海硅酸鹽所與上海理工大學聯合培養的碩士研究生成雙良,通訊作者為吳云濤研究員。

  相關鏈接:

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c22505

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pssr.202000374 

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