近日，晶體材料國家重點實驗室陶緒堂教授團隊采用水溶液法在Cs₃Cu₂I₅單晶中微摻雜異價磁性離子實現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的閃爍性能，其光產(chǎn)額達95,700 photons/MeV（¹³⁷Cs），閃爍衰減時間為3 ns (81.5%),能量分辨率為3.79%（662 KeV）。該單晶具有低成本、高密度（4.56 g/cm³）、高有效原子序數(shù)（52.2）、無自吸收、無放射性本底、無解理面、無毒性元素、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、不易潮解，對空氣中光線不敏感等特點。這些突出的閃爍性能，適合實際應(yīng)用的固有物理特性以及低成本制備優(yōu)勢，使得該單晶可能成為一種理想的閃爍體，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

相關(guān)研究成果以“Achieving a record scintillation performance by micro-doping heterovalent magnetic ion in Cs₃Cu₂I₅single-crystal”為題在線發(fā)表于國際期刊Advanced Materials（Adv. Mater. 2023, 2304938. DOI: 10.1002/adma.202304938）。晶體材料國家重點實驗室姚倩博士后和軍事科學(xué)院李家明博士是本文的共同第一作者，山東大學(xué)為第一作者和第一通訊單位。

圖1、Cs₃Cu₂I₅:Mn單晶及其晶體質(zhì)量表征

圖2、Cs₃Cu₂I₅:Mn單晶的閃爍衰減時間

圖3、Cs₃Cu₂I₅:Mn單晶的光產(chǎn)額和能量分辨率

閃爍體是一種能有效地吸收電離輻射并將能量轉(zhuǎn)化為光的發(fā)光材料。經(jīng)過100多年的探索和研究，目前已開發(fā)出幾十種有價值的閃爍體，在核醫(yī)學(xué)成像診斷、高能物理、核物理、天體物理、安全檢查、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。然而，到目前為止，還沒有一個閃爍體能夠提供所需的高光輸出、超快閃爍衰減、優(yōu)良的環(huán)境穩(wěn)定性和低成本的完美結(jié)合。例如：備受矚目的LaBr₃:Ce晶體是目前已知綜合性能最好的閃爍體，具有光輸出高（60,000~70,000 photons/MeV）、能量分辨率低（<3%）和衰變時間短（16~20 ns）等優(yōu)點。然而，該晶體具有放射性本底和極易潮解的缺點，而且生產(chǎn)成本高。

陶緒堂團隊發(fā)現(xiàn)異價磁性離子的微摻雜（ppm級別）可以有效調(diào)節(jié)閃爍體中自俘獲激子的發(fā)光動力學(xué)。在Cs₃Cu₂I₅單晶中均勻引入微量磁性離子Mn²⁺（~18.6 ppm），采用溶液法生長了高質(zhì)量的體塊Cs₃Cu₂I₅:Mn單晶閃爍體。他們與軍事科學(xué)院王尊剛團隊合作，發(fā)現(xiàn)該單晶展現(xiàn)出超快的閃爍衰減時間和超高的光產(chǎn)額。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金和和晶體材料國家重點實驗室的大力支持。

相關(guān)鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202304938

文章來源：山東大學(xué)晶體材料國家重點實驗室