PhotoniX | 超快（600皮秒）的α射线闪烁体

论文导读

      高亮度和超快速的闪烁晶体在医学诊断、核控制和高能物理等领域的电离辐射检测具有十分重要的应用。虽然，传统的闪烁体在发光效率上取得了较大的进展，但在超快速闪烁中仍存在着极大挑战。针对这一难题，中山大学黄丰教授课题组联合西北核技术研究院的欧阳晓平院士团队在PhotoniX 在线发表论文“Ultrafast (600 ps) α‑ray scintillators”。论文报道了一种采用先进的水热法设备生长获得2英寸高结晶质量的氧化锌（ZnO）单晶，通过掺杂Ga元素作为辐射发光的激活剂，实现在α射线激发下超快闪烁发光，其荧光衰减时间仅为600 ps。研究表明，本文通过在高质量ZnO单晶中掺杂Ga原子形成浅施主型的辐射复合中心，不仅有效地抑制了带边发射的自吸收，而且能够实现超快的辐射发光，从而证明了ZnO:Ga单晶是一种在超快辐射成像检测中有潜在应用的优质闪烁晶体。

研究背景

      1895年，伦琴发现了X射线，获得了世界上第一幅X射线成像结果，并由此引发了巨大轰动。此后，高能射线成像便开始被大家关注，并进行实际应用。经过一个多世纪的发展，高能射线成像已经广泛应用于医学诊断、辐射安全和科学研究领域，对社会发展和人类进步做出了巨大的贡献。闪烁体可以将高能量的射线粒子转换为可见光或紫外光子，是高能射线探测的关键材料。作为评价动态成像质量最重要的评价指标，闪烁体的荧光衰减时间和光产额决定了高能射线成像检测的优劣。当前，传统的无机闪烁体例如铊掺杂碘化铯（CsI:Tl）具有高的辐射光产额，已经得到了较为广泛应用，但大多数具有较长的荧光衰减时间（近1000 ns），这限制了它们在一些快速动态成像的应用。因此，研制具有超快发光特性的闪烁体成为一个备受关注的研究课题。近年来，镓掺杂氧化锌(ZnO:Ga)通过近带边辐射展现出亚纳秒级超快时间响应，这使其成为一种很有前途的检测超快信号的候选材料。此外，成熟的水热晶体生长技术极大地抑制了晶体缺陷的产生，避免缺陷导致的非辐射复合损失，这促进了大尺寸ZnO:Ga单晶闪烁体的发展。

技术突破

      在本工作中，作者采用一种改进的水热方法进行晶体生长，获得大尺寸（2英寸）高结晶质量的ZnO:Ga单晶。众所周知，水热法的优点是易于实现低温平衡的晶体生长条件，这对于获得晶体质量优良、掺杂均匀的晶体非常关键，如图1(a)所示晶体生长的原理。图1(b)中插图为生长的大尺寸ZnO:Ga单晶，其外观为深蓝色六边形。根据图1(b)所示的单晶摇摆曲线，ZnO:Ga单晶的特征峰半峰宽为23.4弧秒，远低于先前的报道，这说明了采用水热法获得的ZnO:Ga单晶具有晶格完整性高、缺陷密度低的优点。图1(c)所示通过266nm激光器激发获得了晶体的紫外光致发光光谱，在380nm处仅观察到单一发射峰。在图1(d)中，ZnO:Ga单晶的晶体结构和选区衍射仅显示一组氧化锌晶格，这可能是由于Ga的掺杂量小(ppm水平)的原因。在本研究中，ZnO:Ga单晶的载流子浓度约为10¹⁸ cm^-3。此外，完整的氧化锌晶格也说明了晶体的低缺陷密度，这使晶体具有较高的辐射光产额。

      理论分析表明引入了Ga作为辐射复合中心，使ZnO:Ga单晶具有高量子效率的快速的近带边发射，如图2a和2b。为了获得ZnO:Ga单晶真实的荧光寿命，搭建了一套基于单光子计数技术的测试系统，如图2c，在²⁴¹Am源(11000Bq)的α粒子轰击下，ZnO:Ga单晶的发光波形见图2(d)，其中发射的能量为3.15 eV的紫外光子数经过短时间增加过程后开始以单指数函数的形式衰减，利用单指数函数拟合得到衰减时间τ接近600 ps。与当前广泛被研究的材料相比（图2e），ZnO:Ga单晶在超快的辐射荧光上具有明显的优势。

观点评述

      针对超快的闪烁体材料，本文采用先进的水热法制备了2英寸的高质量ZnO:Ga单晶，并分析了晶体的辐射发光光谱性能。利用基于单光子计数技术的时间分辨光谱，发现在ZnO:Ga单晶中具有超快的辐射发光，荧光衰减时间接近600 ps，这在目前的闪烁体材料中是一个令人兴奋的指标。超快的辐射荧光归因于掺杂的Ga元素作为有效的辐射复合中心，提高了近带边发射的效率。此外，本文利用ZnO:Ga单晶在高剂量X射线辐射下，实现高空间分辨率的成像检测。结合单晶的超快发光特性，这表明了ZnO:Ga单晶是一种极具潜力的超快动态辐射成像的闪烁晶体。

主要作者

      林日成，中山大学材料学院博士后，主要从事新型半导体光电材料的研究工作，包括大尺寸半导体单晶的生长及高性能光电子器件的研制。以第一作者在Advanced Materials、Nature Communications、Science Bulletin等高水平期刊上发表学术论文10余篇。获得中国博士后科学基金面上项目、博士后“创新人才”计划项目的支持。

      郑伟，中山大学材料学院副教授，主要从事超宽带隙半导体生长、超宽带半导体中的凝聚态物理和真空紫外(10-200 nm)光电探测器研究。在包括Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Letters等期刊杂志上以第一作者或通讯作者发表研究论文90余篇。主持军科委基础加强项目课题、广东省杰青、国自然等项目。

      黄丰，中山大学材料学院教授，国家杰青、国家“万人计划”领军人才、“新世纪百千万人才工程”国家级人选、国家创新人才推进计划中青年领军人才、广东特支计划领军人才、中国化学会青年化学奖等奖励，享受政府特殊津贴。中国真空学会第八、九届理事；中国电子学会电子材料专业分会委员和脉冲星导航专家委员会常务委员；中国物理学会粉末衍射专业委员会委员和固体缺陷专业委员会委员。长期致力于半导体材料生长中的热力学与生长动力学研究。利用水热法生长大尺寸优质ZnO单晶成功应用于反冲质子超快诊断、快中子检测等应用。在包括Phys. Rev. Lett.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Nat. Commun.、 Angew Chem. Int. Ed.、Nature、Science、Nano Lett.等发表论文170余篇，他引超过8000余次。