閃爍晶體作為輻射探測器的關鍵覈心資料,已廣泛應用於高端醫學影像、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品質的要求,研發新型高光輸出、高空間分辨、快衰减閃爍資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資料,展現出優异的物理性質(高結構對稱性、高穩定性)和發光效能(高熒光量子效率、無自吸收),逐漸受到輻射探測資料領域內學者的關注。
近日,中國科學院上海矽酸鹽研究所吳雲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,在前期研製的零維結構Cs3Cu2I5單晶基礎上(Physica Status Solidi RRL 14(2020)2000374;Advanced Optical Materials9(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+摻雜形成了螢光量子效率達到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的穩態光產額可提升1.66倍,X射線檢測限優化至96 nGyair/s(遠低於X射線醫學診斷所需的5.5μGyair/s)。基於In+摻雜Cs3Cu2I5單晶的X射線成像空間分辯率可達18 lp/mm,優於已報導的CsI:Tl基平板、全無機鈣鈦礦納米晶成像屏和熱啟動延遲螢光有機閃爍屏的效能。該研究成果以“Highly resolved X-ray imaging enabled by In(I)doped perovskite-like Cs3Cu2I5single crystal scintillator”為題發表於Advanced Optical Materials(2022)DOI:10.1002/adom.202200304,並申請中國發明專利一項。論文第一作者為上海矽酸鹽所與上海大學聯合培養的碩士研究生王謙,通訊作者為吳雲濤研究員和肖家文副研究員。
此外,上海矽酸鹽所吳雲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)2Cu2Br4和PPh4CuBr2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晶體的發光來源於缺陷束縛激子發光,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16000 photons/MeV的高X射線穩態光產額,56 ns的快閃爍衰减時間,以及710 nGyair/s的低X射線檢測限。基於無毒、高輻照和空氣穩定性、快衰减以及良好的X射線檢測效能,(Bmpip)2Cu2Br4晶體可被認為是一種有潜力的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”為題發表於ACS Applied Materials & Interfaces 14(2022)14157-14164,並申請中國發明專利一項。論文第一作者為上海矽酸鹽所與上海師範大學聯合培養的碩士研究生徐婷婷,通訊作者為吳雲濤研究員和李雲雲助理研究員。
相關研究工作得到了國家自然科學基金、上海市探索者計畫項目、上海市科委高新技術領域項目的資助和支持。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202200304
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c23839
Cs3Cu2I5:In晶體閃爍效能:(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濃度的關係,(d)X射線激發的餘輝曲線,(e)二維熱釋光譜,(f)閃爍衰减曲線,(g)閃爍衰减快慢分量、占比與In濃度之間的關係,(h)不同X射線輻照劑量率下的響應信噪比。
Cs3Cu2I5:In晶體X射線成像效能:(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)標準測試板基於未摻雜和In摻雜Cs3Cu2I5單晶的X射線成像圖。
(Bmpip)2Cu2Br4和PPh4CuBr2晶體的物相性質:(a)(Bmpip)2Cu2Br4和(b)PPh4CuBr2晶體照片,(c)Bmpip+和Cu2Br42-基元,以及(Bmpip)2Cu2Br4晶體結構,(d)PPh4+和CuBr2-基元,以及PPh4CuBr2晶體結構,(e)(Bmpip)2Cu2Br4和(f)PPh4CuBr2粉末X射線衍射圖譜。
(Bmpip)2Cu2Br4和PPh4CuBr2晶體的X射線探測效能:(a) X射線激發發射譜,(b)(Bmpip)2Cu2Br4的閃爍衰减曲線,(c)PPh4CuBr2的閃爍衰减曲線,(d)與其他代表性閃爍晶體的品質因數對比,(e)不同X射線輻照劑量率下的響應信噪比,(f)X射線激發的餘輝曲線。