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上海硅酸鹽所在高性能X射線探測閃爍晶體研究中取得系列進展
發布時間: 2022-04-22 11:25 | 【 【打印】【關閉】

  閃爍晶體作為輻射探測器的關鍵核心材料,已廣泛應用于高端醫學影像、國土安全、高能物理等領域。為滿足新一代X射線探測成像對靈敏度和成像質量的要求,研發新型高光輸出、高空間分辨、快衰減閃爍材料已成為該領域的前沿研究方向之一。近年來,具有低維分子結構的新型非鉛基金屬鹵化物材料,展現出優異的物理性質(高結構對稱性、高穩定性)和發光性能(高熒光量子效率、無自吸收),逐漸受到輻射探測材料領域內學者的關注。 

  近日,中國科學院上海硅酸鹽研究所吳云濤研究員課題組與北京工業大學肖家文副研究員課題組合作,在前期研制的零維結構Cs3Cu2I5單晶基礎上(Physica Status Solidi RRL 14 (2020) 2000374;Advanced Optical Materials 9 (2021) 2100460),提出In+摻雜提升載流子捕獲效率,獲得了高光輸出、高空間分辨X射線探測晶體材料。研究結果表明, In+摻雜形成了熒光量子效率達到88.4%的激子束縛態發光中心。進一步優化In+摻雜濃度發現,Cs3Cu2I5穩態光產額可提升1.66倍, X射線檢測限優化至96 nGyair/s(遠低于X射線醫學診斷所需的5.5 μGyair/s)?;?/span>In+摻雜Cs3Cu2I5單晶的X射線成像空間分辨率可達18 lp/mm,優于已報道的CsI:Tl基平板、全無機鈣鈦礦納米晶成像屏和熱激活延遲熒光有機閃爍屏的性能。該研究成果以Highly resolved X-ray imaging enabled by In(I) doped perovskite-like Cs3Cu2I5 single crystal scintillator為題發表于Advanced Optical Materials (2022) DOI:10.1002/adom.202200304,并申請中國發明專利一項。論文第一作者為上海硅酸鹽所與上海大學聯合培養的碩士研究生王謙,通訊作者為吳云濤研究員和肖家文副研究員。 

  此外,上海硅酸鹽所吳云濤研究員課題組利用低溫溶液法制備出新型零維結構有機銅基鹵化物(Bmpip)2Cu2Br4PPh4CuBr2閃爍晶體,在X射線輻照下分別表現出寬帶橙色和黃色發光。其中,(Bmpip)2Cu2Br4晶體的發光來源于缺陷束縛激子發光,具有高熒光量子效率(48.2%)和高激子結合能(0.56 eV)特性。該晶體擁有16,000 photons/MeV 的高X射線穩態光產額,56 ns的快閃爍衰減時間,以及710 nGyair/s的低X射線檢測限。基于無毒、高輻照和空氣穩定性、快衰減以及良好的X射線檢測性能,(Bmpip)2Cu2Br4晶體可被認為是一種有潛力的X射線探測閃爍體。該研究成果以“Lead-free zero-dimensional organic-copper(I) halides as stable and sensitive X-ray scintillators”為題發表于 ACS Applied Materials & Interfaces 14 (2022) 14157-14164,并申請中國發明專利一項。論文第一作者為上海硅酸鹽所與上海師范大學聯合培養的碩士研究生徐婷婷,通訊作者為吳云濤研究員和李云云助理研究員。 

  相關研究工作得到了國家自然科學基金、上海市探索者計劃項目、上海市科委高新技術領域項目的資助和支持。 

  相關鏈接:  

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202200304 

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c23839  

 

Cs3Cu2I5:In晶體閃爍性能(a) X射線激發發射光譜,(b) 137Cs 伽馬能譜,(c) X射線和伽馬射線激發下光產額與In濃度的關系,(d) X射線激發的余輝曲線,(e) 二維熱釋光譜,(f) 閃爍衰減曲線,(g) 閃爍衰減快慢分量、占比與In濃度之間的關系,(h) 不同X射線輻照劑量率下的響應信噪比。

 

Cs3Cu2I5:In 晶體X射線成像性能(a) X射線成像系統原理示意圖,(b-c) 膠囊殼內的彈簧和電子元器件照片及使用未摻雜和In摻雜Cs3Cu2I5單晶作為閃爍屏的X射線成像圖,(d) 標準X射線成像測試板,(e) 標準測試板基于未摻雜和In摻雜Cs3Cu2I5單晶的X射線成像圖。

 

(Bmpip)2Cu2Br4PPh4CuBr2晶體的物相性質:(a) (Bmpip)2Cu2Br4(b) PPh4CuBr2晶體照片,(c) Bmpip+Cu2Br42-基元,以及(Bmpip)2Cu2Br4晶體結構,(d) PPh4+CuBr2-基元,以及PPh4CuBr2晶體結構,(e) (Bmpip)2Cu2Br4(f) PPh4CuBr2粉末X射線衍射圖譜。

 

(Bmpip)2Cu2Br4PPh4CuBr2晶體的X射線探測性能:(a) X射線激發發射譜,(b) (Bmpip)2Cu2Br4的閃爍衰減曲線,(c) PPh4CuBr2的閃爍衰減曲線,(d)與其他代表性閃爍晶體的品質因子對比,(e) 不同X射線輻照劑量率下的響應信噪比,(f) X射線激發的余輝曲線。

    

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