CrystEngComm│Ce:GGAG閃爍晶體的移行助劑法穩定生長和衰減性能優化

一、【?導讀】

閃爍體（scintillator）材料是一種有效吸收高能射線（如X射線、γ射線等）、高能粒子（如a，β粒子等）并發射紫外或可見光的功能材料。將閃爍體與光電倍增管耦合組成的閃爍探測器被作為核心器件應用于高能射線探測成像裝置中，在核醫學成像，高能物理，工業無損檢測，油井勘探，安檢防恐等生產生活領域發揮著日益重要的作用。

圖1??閃爍體的能量轉換示意圖??

(Ce, Gd)₃(Ga, Al)₅O₁₂（簡作 Ce:GGAG）是目前發現的理論光產額（73,?500 pho/MeV）最高的氧化物閃爍晶體，被認為是最有前途新一代X-CT探測用候選材料之一，且隨著Ga/Al比的變化，能帶寬度發生相應的變化，為組份和性能調控提供了較大的研究空間；然而，Ce:GGAG的熔點約為 1800 ℃，組分中 Ga₂O₃?的熔點（1700^oC）低于析晶溫度, 在高溫時易發生分解（Ga₂O₃?=?Ga₂O +?O₂）；且隨著Ga/Al比的降低，Gd₃(Al, Ga)₅O₁₂熔體非一致熔融傾向增加，至Gd₃Al₅O₁₂時完全非一致熔融，從而導致晶體生長困難。

二、【成果掠影】

中國科學院上海硅酸鹽研究所石云副研究員和華中師范大學黃新堂教授近期在晶體學一區期刊CrystEngComm報道了采用移行助劑浮區法（traveling solvent floating zone method，簡作TSFZ）生長低Ga含量（Ga/Al比=2/3）的Ce:GGAG閃爍晶體的研究工作,?通過在晶體生長過程中引入氧氣氛，壓力和低熔點助熔劑的方法，有效克服了Ce:GGAG非一致熔融傾向和Ga₂O₃的分解揮發問題，實現了熔區的穩定生長，晶體的閃爍衰減性能進一步優化。

三、【數據概覽】

移行助劑法是指在浮區法生長晶體的過程中，引入一個低熔點的組份做助熔劑；如圖2所示，熔劑塊在晶體熔融生長過程中成熔區，并隨生長晶體的熔區移動；在生長過程中，相當比例的晶體從熔劑中沉積出來并保持這一量。

圖2?移行助劑法晶體生長的示意圖?? RSC

本文首次將移行助劑法引入到Ce:GGAG的晶體生長，以解決浮區生長過程的熔區不穩和低Ga含量下的非一致熔融傾向問題；分別研究了Gd₂O₃:Al₂O₃?= 25 : 75, 27 : 73, 29 : 71作為助熔劑組份的晶體生長情況。如圖3所示，采用移行助劑法后，晶體生長熔區上下對流對稱，可持續穩定生長。最終獲得的直徑均一的長棒狀Ce:GGAG晶體，如圖4所示。

圖3??光浮區法Ce:GGAG晶體生長中的熔區不穩現象照片(a-c); 移行助劑法熔區穩定照片(d)?? RSC

圖4??不同助熔劑組份生長出的Ce:GGAG晶體照片?? RSC

如圖5所示，采用gamma射線源(¹³⁷Cs，662 keV)激發下的脈沖高度譜表征其閃爍光產額，其中，組份為Gd₂O₃:Al₂O₃?= 25 : 75的助熔劑相較于其他助熔劑組份，更為有效的控制了熔體體積，提高了晶體生長過程中的熔區穩定性，明顯緩解了裂紋的萌生和擴展，生長出的Ce:GGAG晶體表現出最強的輻射發光強度和最高的光產額(34, 132 pho/MeV)。此外，Gd₂O₃:Al₂O₃?= 29 : 71的助熔劑生長的Ce:GGAG晶體具有更快的衰減時間(64 ns)和更高的快組分比(85%)。

圖5: 不同助熔劑組份生長出的Ce:GGAG晶體的脈沖高度譜與標準樣品(光產額58,?000 pho/MeV)對比示意圖，gamma源(¹³⁷Cs，662 keV)，測試門寬0.75ms ?? RSC

四、【成果啟示】

本文工作表明，移行助劑法是一種可以穩定生長Ce:GGAG晶體的方法。在未來的工作中，通過系統篩選助熔劑成分，有望進一步穩定熔區，實現無裂紋、高光學質量和閃爍性能優化。本工作將為閃爍晶體的高光效組份設計、晶體生長技術、性能優化等方面提供重要的參考依據。

本研究工作得到了中國科學院科研儀器設備研制項目，中國科學院戰略性先導科技專項和上海市科學技術委員會基金項目等的資助。

【主要作者簡介】

武彤（1997-），女，碩士研究生，2019年進入華中師范大學物理科學與技術學院攻讀碩士學位。2020年進入中國科學院上海硅酸鹽研究所聯合培養，主要從事光學浮區法生長閃爍晶體及其性能研究。E-mail：wutong1@mails.ccnu.edu.cn

石云（1978-），女，2006年畢業于中國科學院固體物理研究所，獲得博士學位；現任中國科學院上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷和超微結構國家重點實驗室副研究員，碩士生導師；主要研究方向為：新型光電功能材料的關鍵制備技術及結構物性調控。在高能射線探測成像（X-CT，PET等）用閃爍晶體與陶瓷，LED /激光照明用熒光陶瓷與玻璃等領域已取得一系列進展。E-mail：shiyun@mail.sic.ac.cn

黃新堂（1957-），男，1999年畢業于華中科技大學，獲博士學位；現任華中師范大學物理科學與技術學院教授，博士生導師；主要研究方向為：納米材料物理及其應用性質的研究。E-mail：xthuang@mail.ccnu.edu.cn

【文章信息】

Tong, Wu, Ling Wang, Yun Shi*, Xintang Huang*, et.al., Stable growth of (Ce,Gd)₃Ga₂Al₃O₁₂?crystal scintillators by the traveling solvent floating zone method, CrystEngComm, 2022, DOI: 10.1039/D1CE01617B

本文由作者供稿。