閃爍材料是一種能將入射的高能射線或高能粒子轉(zhuǎn)化為可見光或紫外光的功能材料，已經(jīng)在放射醫(yī)學(xué)、高能物理、核物理、工業(yè)檢測(cè)、地質(zhì)勘探、安全檢查等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中，稀土離子摻雜的镥鋁石榴石（Lu?Al?O??，簡(jiǎn)作LuAG）是近年來研究比較活躍的一類閃爍材料。

近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所石云副研究員等人在《發(fā)光學(xué)報(bào)》上發(fā)表了題為“Lu?Al?O??基閃爍陶瓷的研究進(jìn)展”的綜述文章。

該綜述以LuAG基閃爍陶瓷為出發(fā)點(diǎn)，系統(tǒng)地綜述了LuAG的晶體結(jié)構(gòu)和物化性能，LuAG基閃爍陶瓷的制備方法和結(jié)構(gòu)缺陷研究，以及組分調(diào)控和材料計(jì)算在設(shè)計(jì)新型LuAG基閃爍材料方面的創(chuàng)新成果等。指出Ce:LuAG陶瓷因其高光效和優(yōu)異的抗輻照損傷性能，被列為高能物理新一代電磁量能器的備選材料；Pr:LuAG具有快衰減時(shí)間和高溫?zé)晒鉄岱€(wěn)定性，在核醫(yī)學(xué)PET成像和油井勘測(cè)等領(lǐng)域顯示了應(yīng)用潛力。討論了LuAG基閃爍陶瓷在組份設(shè)計(jì)、性能調(diào)控和微結(jié)構(gòu)表征技術(shù)發(fā)展方面的最新動(dòng)態(tài)，對(duì)其前景進(jìn)行了展望。

1. 引言

當(dāng)前閃爍材料的發(fā)展趨勢(shì)是向著更高密度、更快衰減、更高光產(chǎn)額的方向，從傳統(tǒng)的低熔點(diǎn)體系向多組份高熔點(diǎn)體系的閃爍材料不斷拓展。而不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹂W爍材料性能需求的側(cè)重點(diǎn)也各不相同，例如高能物理領(lǐng)域要求閃爍材料具有更高的抗輻照損傷性能；核醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域則強(qiáng)調(diào)材料的衰減時(shí)間和透明度；LuAG具有密度高（高能射線阻止能力強(qiáng)）、物理化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，且石榴石結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)摻雜離子的多格位摻雜，在閃爍發(fā)光的光譜設(shè)計(jì)和性能調(diào)控上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是近年來閃爍材料研究領(lǐng)域倍受關(guān)注的材料體系之一。

LuAG屬于石榴石結(jié)構(gòu)立方晶系，體心立方晶格，密度較高（6.67g/cm3），有效原子序數(shù)大（Zeff = 63），對(duì)各種射線的吸收阻止能力強(qiáng)，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，是一種優(yōu)異的閃爍基質(zhì)材料。近年來，通過晶體生長技術(shù)的優(yōu)化，LuAG基閃爍晶體的性能正在穩(wěn)步提高。但LuAG熔點(diǎn)高達(dá)2010°C，晶體熔融生長的所需溫度較高，生長周期較長，并存在發(fā)光離子分凝系數(shù)問題。同時(shí)，在LuAG晶體中存在一種重要的反位置缺陷陷阱，其濃度與制備溫度呈正向相關(guān)，相較而言，LuAG基閃爍陶瓷具有制備溫度低、工藝簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)勢(shì)，具有重要的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2. 制備、組分與閃爍性能調(diào)控

LuAG基閃爍陶瓷的制備涉及粉體合成，陶瓷燒結(jié)以及溫度后處理等。粉體的制備主要有固相反應(yīng)法和液相共沉淀法，還包括溶膠凝膠法和燃燒法等。固相反應(yīng)法是制備LuAG基閃爍陶瓷常見的方法，具有工藝簡(jiǎn)單，制備周期短的優(yōu)勢(shì)。而液相法有利于獲得高純高燒結(jié)活性的納米粉體，在不添加燒結(jié)助劑的情況下即可經(jīng)燒結(jié)獲得高光學(xué)質(zhì)量透明陶瓷，但是存在制備周期長，工藝過程中影響因素多的不足。LuAG基閃爍陶瓷的燒結(jié)主要有真空燒結(jié)，氫氣燒結(jié)和放電等離子燒結(jié)（SPS）等，其中以真空燒結(jié)法報(bào)道最多。

圖1 采用固相反應(yīng)真空燒結(jié)法制備的不同Ce摻雜濃度的LuAG閃爍陶瓷，雙面拋光1.0mm厚

在LuAG結(jié)構(gòu)中，占據(jù)十二面體格位的Lu3?和八面體格位的Al3?可以被性質(zhì)類似的其他離子摻雜取代，從而實(shí)現(xiàn)光譜設(shè)計(jì)和性能調(diào)控。閃爍發(fā)光是一個(gè)復(fù)雜的過程，可以分為轉(zhuǎn)換、傳輸和發(fā)光三個(gè)連續(xù)的子過程。閃爍材料的發(fā)光原理決定了它對(duì)微缺陷和組分非常敏感：微缺陷影響載流子的傳輸和復(fù)合，組分決定了材料的禁帶寬度和發(fā)光中心的位置。一些新型先進(jìn)表征技術(shù)，如同步輻射X射線近邊吸收譜（XANES），電子自旋共振譜（ESR）和熱釋光譜（TSL）等已經(jīng)用于研究LuAG中的組分和微缺陷效應(yīng)。組合材料樣品庫技術(shù)和材料模擬計(jì)算等也已經(jīng)用于開展高通量組分篩選，并取得積極效果。

目前，稀土Ce3?和Pr3?摻雜的LuAG閃爍陶瓷研究進(jìn)展較快，部分組分的閃爍性能已優(yōu)于同類單晶，并向器件化推進(jìn)。Ce:LuAG陶瓷因其高光效和優(yōu)異的抗輻照損傷性能，被列為高能物理新一代磁性量能器的備選材料；Pr:LuAG具有快衰減時(shí)間和高溫?zé)晒鉄岱€(wěn)定性，在核醫(yī)學(xué)PET成像和油井勘測(cè)等領(lǐng)域顯示了應(yīng)用潛力?；谌毕莨こ毯湍軒Чこ?，通過Mg2? 和Y3?摻雜，Ce:LuAG和Pr:LuAG陶瓷在閃爍性能上都獲得突破性提升，但余輝和衰減慢分量仍有待優(yōu)化；隨著光電探測(cè)器的發(fā)展，新型紅光閃爍材料的研究也逐漸引起關(guān)注，研究的重點(diǎn)是解決當(dāng)前閃爍光產(chǎn)額低和衰減時(shí)間長的問題。

3. 展望

總之，LuAG具有高能射線阻止能力強(qiáng)、物理化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，且石榴石結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)摻雜離子的多格位摻雜，在閃爍發(fā)光的光譜設(shè)計(jì)和性能調(diào)控上具有明顯優(yōu)勢(shì)；LuAG基閃爍陶瓷相對(duì)單晶具有制備溫度低，工藝簡(jiǎn)單，成本較低的優(yōu)勢(shì)，具有重要的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Α４送?，引入高通量組分設(shè)計(jì)，發(fā)展先進(jìn)的微結(jié)構(gòu)表征技術(shù)等對(duì)組分和缺陷進(jìn)行精確計(jì)算表征，有利于闡明發(fā)光機(jī)理，并對(duì)提高閃爍性能提供有益的參考。

作者簡(jiǎn)介：

石云，博士，副研究員，《發(fā)光學(xué)報(bào)》第一屆青年編委，現(xiàn)任中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷和超微結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員，碩士生導(dǎo)師。2006年畢業(yè)于中國科學(xué)院固體物理研究所，獲凝聚態(tài)物理理學(xué)博士學(xué)位；2006年至今在中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所工作。2010年在美國加州理工學(xué)院和賓州州立大學(xué)短期訪問。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人先后主持和參與了國家自然科學(xué)基金，科技部863項(xiàng)目，上海市科委項(xiàng)目，中科院先導(dǎo)和重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目等10余項(xiàng)；已發(fā)表研究論文80余篇（第一和通信作者17篇），專利授權(quán)10余項(xiàng)。J. Mater. Sci. & Tech., J. Adv. Ceram., J. Phys. Chem.，J. Am. Ceram. Soc.，J. Eur. Ceram. Soc., Opt. Mater., J. Alloys Compd., J. Mater. Res., Ceram. Int.和光子學(xué)報(bào)等國內(nèi)外發(fā)光和材料類專業(yè)期刊通信審稿人。目前研究方向?yàn)椋盒滦凸怆姽δ懿牧系臒o容器制備技術(shù)及結(jié)構(gòu)物性研究。在高能射線探測(cè)成像（X-CT，PET 等）用閃爍材料和LED /激光照明用熒光材料等領(lǐng)域已取得一系列進(jìn)展，研究工作包括理論計(jì)算、材料制備和性能優(yōu)化等。

編輯 | 趙陽

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