研究思路

長(zhǎng)余輝發(fā)光指的是在激發(fā)光（紫外-可見(jiàn)光、X射線(xiàn),、γ射線(xiàn)等）停止后,，仍可以持續(xù)發(fā)光幾秒甚至幾個(gè)小時(shí)的一類(lèi)發(fā)光現(xiàn)象。傳統(tǒng)高溫制備的長(zhǎng)余輝材料性能優(yōu)異但形貌尺寸不可控,，而低溫合成的材料形貌尺寸可控但發(fā)光性能不佳,。針對(duì)上述主要矛盾，劉小鋼團(tuán)隊(duì)合成的稀土摻雜的納米閃爍體不僅在X射線(xiàn)激發(fā)下表現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)余輝發(fā)光性能,，而且通過(guò)低溫共沉淀法制備的納米閃爍體的形貌尺寸可調(diào)控,。此外，在基質(zhì)晶格中摻雜入不同的稀土激活劑,，長(zhǎng)余輝發(fā)光波長(zhǎng)在紫外-可見(jiàn)光至近紅外光區(qū)域內(nèi)可調(diào)諧,。另一方面，該類(lèi)新型長(zhǎng)余輝納米材料分散性良好,，非常適合用于制備柔性探測(cè)器,。

圖1. 納米閃爍體長(zhǎng)余輝發(fā)光性能表征

圖2. 納米閃爍體長(zhǎng)余輝材料光物理性質(zhì)研究

研究人員結(jié)合光譜技術(shù)、電子順磁共振表征,、熱釋光學(xué)曲線(xiàn)分析,、密度泛函理論計(jì)算和同步輻射技術(shù)對(duì)基于晶格缺陷的長(zhǎng)余輝機(jī)理展開(kāi)了系統(tǒng)研究,，提出了高能量X射線(xiàn)光子誘導(dǎo)Frenkel缺陷產(chǎn)生長(zhǎng)余輝發(fā)光的機(jī)理。量子力學(xué)計(jì)算所得到的缺陷形成能和電子結(jié)構(gòu)表明,，陰離子Frenkel缺陷作為納米晶體中的陷阱,，可有效的捕獲高能電離輻射所產(chǎn)生的載流子（電子和空穴）。由于陰離子偏離晶格位點(diǎn)的距離不同,，所形成的Frenkel缺陷具有不同的陷阱深度,。在室溫環(huán)境下，淺陷阱中的載流子可以緩慢逃逸到晶格中的稀土離子,，而深陷阱中的載流子逃逸則需要外界注入能量,，如光激勵(lì)和加熱處理。該逃逸過(guò)程與缺陷自我修復(fù)同時(shí)發(fā)生,。因此,，被俘獲的載流子的緩慢逃逸使得該類(lèi)納米晶體的余輝現(xiàn)象可持續(xù)長(zhǎng)達(dá)30天。此外,，高能輻射誘導(dǎo)產(chǎn)生Frenkel缺陷這一特性決定了該類(lèi)長(zhǎng)余輝納米材料不能被紫外和可見(jiàn)光激活,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)X射線(xiàn)探測(cè)較高的選擇性。該發(fā)光機(jī)制的建立對(duì)新型鹵化物長(zhǎng)余輝材料的探索與合成具有指導(dǎo)意義,。

圖3. 納米閃爍體長(zhǎng)余輝發(fā)光機(jī)理研究

圖4. 高分辨柔性X射線(xiàn)發(fā)光成像

研究成果

X射線(xiàn)影像技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷,、安全檢查和工業(yè)無(wú)損探傷等領(lǐng)域具有廣泛且重要的應(yīng)用。目前,，大多數(shù)X射線(xiàn)平板探測(cè)器需要集成薄膜晶體管陣列（TFT）,、非晶硅光電轉(zhuǎn)換層和閃爍體。由于制造大面積,、柔性的薄膜晶體管陣列和非晶硅光電轉(zhuǎn)換層仍存在巨大的技術(shù)挑戰(zhàn),，導(dǎo)致難以研制出柔性平板探測(cè)器，而使用剛性的平板探測(cè)器難以實(shí)現(xiàn)曲面或者不規(guī)則目標(biāo)物的三維X射線(xiàn)成像,。