研究思路

長余輝發(fā)光指的是在激發(fā)光（紫外-可見光、X射線、γ射線等）停止后，仍可以持續(xù)發(fā)光幾秒甚至幾個小時的一類發(fā)光現(xiàn)象。傳統(tǒng)高溫制備的長余輝材料性能優(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。針對上述主要矛盾，劉小鋼團隊合成的稀土摻雜的納米閃爍體不僅在X射線激發(fā)下表現(xiàn)出優(yōu)異的長余輝發(fā)光性能，而且通過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，長余輝發(fā)光波長在紫外-可見光至近紅外光區(qū)域內(nèi)可調(diào)諧。另一方面，該類新型長余輝納米材料分散性良好，非常適合用于制備柔性探測器。

圖1. 納米閃爍體長余輝發(fā)光性能表征

圖2. 納米閃爍體長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)曲線分析、密度泛函理論計算和同步輻射技術(shù)對基于晶格缺陷的長余輝機理展開了系統(tǒng)研究，提出了高能量X射線光子誘導(dǎo)Frenkel缺陷產(chǎn)生長余輝發(fā)光的機理。量子力學(xué)計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，如光激勵和加熱處理。該逃逸過程與缺陷自我修復(fù)同時發(fā)生。因此，被俘獲的載流子的緩慢逃逸使得該類納米晶體的余輝現(xiàn)象可持續(xù)長達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長余輝納米材料不能被紫外和可見光激活，實現(xiàn)了對X射線探測較高的選擇性。該發(fā)光機制的建立對新型鹵化物長余輝材料的探索與合成具有指導(dǎo)意義。

圖3. 納米閃爍體長余輝發(fā)光機理研究

圖4. 高分辨柔性X射線發(fā)光成像

研究成果

X射線影像技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷、安全檢查和工業(yè)無損探傷等領(lǐng)域具有廣泛且重要的應(yīng)用。目前，大多數(shù)X射線平板探測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器，而使用剛性的平板探測器難以實現(xiàn)曲面或者不規(guī)則目標物的三維X射線成像。