上海硅酸鹽所在金屬鹵化物閃爍晶體材料研究中取得進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】閃爍晶體作為輻射探測器的關(guān)鍵核心材料，已廣泛應(yīng)用于高端醫(yī)學(xué)影像、國土安全、高能物理等領(lǐng)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(fā)新型高光輸出、高能量分辨率的閃爍晶體材料成為輻射探測領(lǐng)域的前沿研究方向之一。近年來，低維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)金屬鹵化物材料因具有限域激子發(fā)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(fā)光效率等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是潛在的高性能閃爍材料。
 

　　最近，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員吳云濤團(tuán)隊(鹵化物閃爍晶體課題組)從功能基元序構(gòu)的學(xué)術(shù)思想出發(fā)，提出并設(shè)計出一系列具有強(qiáng)自陷激子發(fā)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(diǎn)、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(fā)光機(jī)理。
 

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

　　該團(tuán)隊研制的零維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)Cs3Cu2I5晶體同樣具有高密度(4.52g/cm3)、高有效原子序數(shù)(Zeff=52.2)、低熔點(diǎn)(383℃)、不潮解和無自吸收等優(yōu)點(diǎn)。與一維結(jié)構(gòu)材料相比，其零維結(jié)構(gòu)材料的限域激子發(fā)光擁有更高的熒光量子效率(達(dá)到69.9%)。其X射線和伽馬射線激發(fā)下的光輸出可達(dá)30,000 ph./MeV，能量分辨率(@662keV)優(yōu)于3.4%。相關(guān)研究成果以Zero-dimensional Cs3Cu2I5 perovskite single crystal as sensitive X-ray and g-ray scintillator為題，發(fā)表在Phys. Status Solidi RRL 14 (2020) 2000374 1-4上。
 

　　該團(tuán)隊針對Cs3Cu2I5晶體開展了離子摻雜優(yōu)化研究。研究發(fā)現(xiàn)，Tl+離子摻雜可將Cs3Cu2I5晶體的熒光量子效率從69.9%進(jìn)一步提高至79.2%。該晶體材料X射線激發(fā)下光輸出可達(dá)到150,000 ph./MeV，為已知閃爍體中最高值，且擁有極低的X射線檢測極限(66.3nGyair/s)，僅是醫(yī)學(xué)X射線診斷要求的1/83。此外，Cs3Cu2I5:Tl晶體還擁有優(yōu)異伽馬射線探測能力，其光輸出可達(dá)87,000 ph./MeV，662keV處的能量分辨率為3.4%。通過理論計算和實驗研究發(fā)現(xiàn)，Tl摻雜提升Cs3Cu2I5晶體閃爍性能的主要原因是：Tl摻雜后發(fā)射光譜紅移減少了激發(fā)發(fā)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(tài)的形成概率；形成的Tl+束縛激子態(tài)可提供額外的輻射躍遷中心，從而進(jìn)一步提升發(fā)光效率。相關(guān)研究成果以Ultra-bright and highly efficient all-inorganic zero-dimensional perovskite scintillators為題，發(fā)表在Advanced Optical Materials (2021) 上(DOI:10.1002/adom.2021004)，并申請我國國家發(fā)明專利一項。
 

　　研究工作獲得國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索項目、上海市科委高新技術(shù)領(lǐng)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(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的碩士研究生成雙良，吳云濤為論文通訊作者。