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

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

該綜述以LuAG基閃爍陶瓷為出發(fā)點，系統(tǒng)地綜述了LuAG的晶體結構和物化性能，LuAG基閃爍陶瓷的制備方法和結構缺陷研究，以及組分調(diào)控和材料計算在設計新型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具有快衰減時間和高溫熒光熱穩(wěn)定性，在核醫(yī)學PET成像和油井勘測等領域顯示了應用潛力。討論了LuAG基閃爍陶瓷在組份設計、性能調(diào)控和微結構表征技術發(fā)展方面的最新動態(tài)，對其前景進行了展望。

1. 引言

當前閃爍材料的發(fā)展趨勢是向著更高密度、更快衰減、更高光產(chǎn)額的方向，從傳統(tǒng)的低熔點體系向多組份高熔點體系的閃爍材料不斷拓展。而不同的應用領域對閃爍材料性能需求的側重點也各不相同，例如高能物理領域要求閃爍材料具有更高的抗輻照損傷性能；核醫(yī)學成像領域則強調(diào)材料的衰減時間和透明度；LuAG具有密度高（高能射線阻止能力強）、物理化學性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，且石榴石結構可實現(xiàn)摻雜離子的多格位摻雜，在閃爍發(fā)光的光譜設計和性能調(diào)控上具有明顯的優(yōu)勢，是近年來閃爍材料研究領域倍受關注的材料體系之一。

LuAG屬于石榴石結構立方晶系，體心立方晶格，密度較高（6.67g/cm3），有效原子序數(shù)大（Zeff = 63），對各種射線的吸收阻止能力強，物理化學性能穩(wěn)定，是一種優(yōu)異的閃爍基質(zhì)材料。近年來，通過晶體生長技術的優(yōu)化，LuAG基閃爍晶體的性能正在穩(wěn)步提高。但LuAG熔點高達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，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，相較而言，LuAG基閃爍陶瓷具有制備溫度低、工藝簡單、成本較低的優(yōu)勢，具有重要的應用前景和發(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，陶瓷燒結以及溫度后處理等。粉體的制備主要有固相反應法和液相共沉淀法，還包括溶膠凝膠法和燃燒法等。固相反應法是制備LuAG基閃爍陶瓷常見的方法，具有工藝簡單，制備周期短的優(yōu)勢。而液相法有利于獲得高純高燒結活性的納米粉體，在不添加燒結助劑的情況下即可經(jīng)燒結獲得高光學質(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基閃爍陶瓷的燒結主要有真空燒結，氫氣燒結和放電等離子燒結（SPS）等，其中以真空燒結法報道最多。

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

在LuAG結構中，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，從而實現(xiàn)光譜設計和性能調(diào)控。閃爍發(fā)光是一個復雜的過程，可以分為轉換、傳輸和發(fā)光三個連續(xù)的子過程。閃爍材料的發(fā)光原理決定了它對微缺陷和組分非常敏感：微缺陷影響載流子的傳輸和復合，組分決定了材料的禁帶寬度和發(fā)光中心的位置。一些新型先進表征技術，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。組合材料樣品庫技術和材料模擬計算等也已經(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。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具有快衰減時間和高溫熒光熱穩(wěn)定性，在核醫(yī)學PET成像和油井勘測等領域顯示了應用潛力。基于缺陷工程和能帶工程，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；隨著光電探測器的發(fā)展，新型紅光閃爍材料的研究也逐漸引起關注，研究的重點是解決當前閃爍光產(chǎn)額低和衰減時間長的問題。

3. 展望

總之，LuAG具有高能射線阻止能力強、物理化學性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，且石榴石結構易于實現(xiàn)摻雜離子的多格位摻雜，在閃爍發(fā)光的光譜設計和性能調(diào)控上具有明顯優(yōu)勢；LuAG基閃爍陶瓷相對單晶具有制備溫度低，工藝簡單，成本較低的優(yōu)勢，具有重要的應用前景和發(fā)展?jié)摿Α４送猓敫咄拷M分設計，發(fā)展先進的微結構表征技術等對組分和缺陷進行精確計算表征，有利于闡明發(fā)光機理，并對提高閃爍性能提供有益的參考。

作者簡介：

石云，博士，副研究員，《發(fā)光學報》第一屆青年編委，現(xiàn)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。2006年畢業(yè)于中國科學院固體物理研究所，獲凝聚態(tài)物理理學博士學位；2006年至今在中國科學院上海硅酸鹽研究所工作。2010年在美國加州理工學院和賓州州立大學短期訪問。作為項目負責人先后主持和參與了國家自然科學基金，科技部863項目，上海市科委項目，中科院先導和重點研發(fā)項目等10余項；已發(fā)表研究論文80余篇（第一和通信作者17篇），專利授權10余項。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.和光子學報等國內(nèi)外發(fā)光和材料類專業(yè)期刊通信審稿人。目前研究方向為：新型光電功能材料的無容器制備技術及結構物性研究。在高能射線探測成像（X-CT，PET 等）用閃爍材料和LED /激光照明用熒光材料等領域已取得一系列進展，研究工作包括理論計算、材料制備和性能優(yōu)化等。

編輯 | 趙陽

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