Cryst. Growth Des.│光浮區法生長高光產額快衰減Ce:GGAG閃爍晶體

材料人編輯小單 2年前 (2022-03-09) 1481瀏覽

一、【導讀】

閃爍材料作為光學和能量轉換材料在高能射線探測和成像領域得到了廣泛的應用。多年來，國內外研究學者一直致力于研發高性能的新型閃爍體。其中，(Ce, Gd)3(Ga, Al)5O12（簡作 Ce:GGAG）被認為是最有前途新一代X射線CT探測用候選材料之一，在晶體生長、透明陶瓷制備以及組份調控等方面已經開展了大量研究工作。研究表明，在Ga/Al比為3/2 ~ 2/3的范圍內，閃爍性能最佳。但隨著Ga/Al比的降低，晶體生長的難度增加，研究認為是由于隨著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】

近期，華中師范大學黃新堂教授和中國科學院上海硅酸鹽研究所石云副研究員聯合報道了低Ga含量Ce:GGAG晶體（Ga/Al比=2/3）的光浮區法生長和閃爍性能研究。與提拉法（Cz法）和微下拉法（m-PD法）等傳統晶體生長技術相比，光浮區法(optical?floating?zone?method，OFZ)?在晶體生長過程不需要坩堝，幾乎不會在生長過程中引入雜質，可以生長熔點很高的晶體。生長速度與其他單晶生長方法相比較快，提高了生長晶體的效率且晶體生長質量較高，在新材料研發方面具有比較優勢。

在該工作中，研究者成功地生長了低Ga/Al比(= 2/3) (Ce,Gd)3Ga2Al3O12晶體并具有較高的閃爍光產額；同時，在衰減時間和快分量比優化方面取得顯著的進步，富氧環境下生長的Ce:GGAG晶體表現出較快衰減時間和較高的快組分比(80 ns / 80%; 257 ns / 20%)，gamma射線(137Cs，662 keV)激發下的閃爍光產額可達38,?847pho/MeV@0.75ms。

該工作揭示了光浮區法用于探索新型高性能閃爍晶體的可行性，為閃爍晶體的快速制備和組份性能篩選提供了新型高效的技術方案，相關研究內容發表在晶體類一區期刊Crystal?growth?&?Design上（https://doi.org/10.1021/acs.cgd.1c00779）。

三、【數據概覽】

圖1?浮區法( Floating Zone Method, 簡稱FZ法)生長晶體示意圖 ? ACS

圖2?光浮區法生長的0.2 - 0.8?at. % Ce:GGAG晶體 (雙面拋光1.0 mm厚)? ? ACS

圖3??光浮區法生長的0.2 - 0.8?at. % Ce:GGAG晶體的熒光和閃爍性能。(a)?450nm激發下陶瓷的熒光光譜；(b) 50nm激發下晶體的熒光光譜；(c)晶體和陶瓷的熒光強度隨濃度變化的規律；(d)(e)?gamma射線(137Cs，662 keV)激發下的脈沖高度譜(f)?gamma射線(137Cs，662 keV)激發下的閃爍衰減時間? ? ACS

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*, Tianzhao Xu , Hui Wang , Jinghong Fang , Jinqi Ni , Huan He , Chaoyue Wang , Qiang Qi , Lu Chen , Dongzhou Ding , Qin Li, Jianding Yu, Xintang Huang*, Oleg Shichalin , E. K. Papynov. Fast (Ce,Gd)3Ga2Al3O12?scintillators grown by the optical floating zone method. Crystal Growth & Design, 2022, DOI: 10.1021/acs.cgd.1c00779

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