近日，中科院李江研究團隊通過“能帶工程”和“缺陷工程”對LuAG閃爍陶瓷中淺能級缺陷的濃度和陷阱深度進行調(diào)控，設(shè)計制備的LuYAG:Pr和LuAG:Ce，Mg閃爍陶瓷的光產(chǎn)額分別達到24400ph/MeV和25000ph/MeV。據(jù)研究團隊所知，這是國際范圍內(nèi)同類閃爍陶瓷所達到的最高光產(chǎn)額。
作為閃爍探測器中的關(guān)鍵部件，閃爍材料廣泛應(yīng)用于高能物理、醫(yī)學(xué)成像以及油田勘探等領(lǐng)域。然而閃爍材料中的缺陷會因捕獲輸運過程中的載流子，延遲閃爍發(fā)光降低光產(chǎn)額，而最終影響閃爍探測器性能。
李江研究團隊通過采用第一性原理計算，低溫?zé)後尮庖约巴捷椛涞燃夹g(shù)手段對材料中缺陷的存在形式和缺陷濃度進行表征。提出“能帶工程”和“缺陷工程”共同作用的機制，并設(shè)計制備閃爍陶瓷材料LuYAG:Pr和LuAG:Ce，Mg，成功抑制了材料中的淺能級缺陷，實現(xiàn)了材料綜合閃爍性能的提升。
Y3+取代LuAG:Pr不同于一般的離子取代，Y3+與Lu3+離子半徑以及化學(xué)性質(zhì)等接近，取代后不會在禁帶中增加額外能級，而是導(dǎo)致禁帶寬度減少，并使得材料中以反位缺陷為主的淺能級缺陷濃度下降（見下圖）。
圖（a）理論計算LuAG能帶結(jié)構(gòu)；（b）理論計算LuYAG能帶結(jié)構(gòu)；
（c）Y3+取代作用機理示意圖
低溫?zé)後尮獗砻鳎O(shè)計制備的材料中缺陷濃度大幅下降。光輸出衰減動力學(xué)測試結(jié)果顯示，材料中慢發(fā)光分量低于30%，光產(chǎn)額提高20%。Mg2+摻雜LuAG:Ce通過控制Ce4+/Ce3+比例，減少了電子陷阱缺陷在載流子輸運中的影響，使得材料光產(chǎn)額超過LuAG:Ce單晶50%。閃爍衰減測試表明材料中快發(fā)光分量達到60%。
資料來源于上海硅酸鹽研究所。
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