上海硅酸盐所在浮区法生长CeGGAG闪烁晶体方面取得系列进展

　　闪烁材料作为光学和能量转换材料，在高能射线探测和成像领域得到了广泛的应用。多年来，国内外研究学者一直致力于研发高性能的新型闪烁体，其中，（Ce，Gd）3（Ga，Al）5O12（以下简称Ce：GGAG）被认为是最有前途的新一代X射线CT探测用候选材料之一，在晶体生长、透明陶瓷制备以及组分调控等方面已经开展了大量研究工作。
　　Ce：GGAG中GaAl比的变化可调节禁带宽度，进而影响发光离子的能级位置，实现光谱和发光效率的调控；组分筛选的研究表明，在GaAl比为3223的范围内，闪烁性能最佳。但随着GaAl比的降低，晶体生长的难度增加，研究认为是由于随着GaAl比的降低，Gd3（Al，Ga）5O12熔体非一致熔融倾向增加，至Gd3Al5O12时，完全非一致熔融，从而导致晶体生长困难。
　　基于上述问题，近期，中国科学院上海硅酸盐研究所石云副研究员等人开展了低Ga含量Ce：GGAG（GaAl比为23）的光浮区法（opticalfloatingzonemethod，OFZ）晶体生长和闪烁性能研究。与传统的提拉法（CZ）法和微下拉法（mPD）法相比，光浮区法在晶体生长过程不需要坩埚，几乎不会在生长过程中引入杂质，可以生长高熔点的晶体。生长速度与其他单晶生长方法相比较快，提高了晶体生长效率且晶体生长质量较高，在新材料研发方面具有明显优势。
　　研究人员成功生长了一系列不同Ce3掺杂浓度的（Ce，Gd）3Ga2Al3O12晶体，通过在晶体生长过程中引入氧气氛，压力和低熔点助熔剂的方法，进一步克服了Ce：GGAG非一致熔融倾向和Ga2O3的分解挥发问题，实现了熔区的稳定生长，使材料在闪烁光产额、衰减时间和快分量比优化等方面取得显著的进步，富氧环境下生长的Ce：GGAG晶体表现出较快衰减时间和较高的快组分比（80ns80；257ns20），gamma射线（137Cs，662keV）激发下的闪烁光产额最高可达38，847phoMeV0。75ms；在闪烁衰减时间方面，明显优于mPD法生长的同组分单晶（221ns100）。
　　该工作还观察到较宽的Ce4相关的吸光谱，这类似于Mg2在GGAG中的共掺杂效应，而OFZ法得到的Ce：GGAG晶体相比Ce，Mg：GGAG晶体具有更高的光产额，后者的光产额报道为（25，00027，000phoMeV），这一结果为探讨Mg2和Ce4对Ce3在闪烁发光过程中的影响机制提供了有益的参考。
　　该工作揭示了光浮区法用于探索新型高性能闪烁晶体的可行性，为闪烁晶体的快速制备和组分性能筛选提供了新型高效的技术方案；通过进一步优化晶体生长参数，将有望继续优化晶体的闪烁性能，并将在其他新型闪烁材料的探索方面发挥重要作用。相关结果分别发表在晶体材料类期刊CrystalgrowthDesign和CrystEngComm以及开放获取类期刊Materials上，并申请中国发明专利1项。
　　论文第一作者为上海硅酸盐所与华中师范大学联合培养研究生武彤，通讯作者为上海硅酸盐所石云副研究员和华中师范大学黄新堂教授。以上研究工作得到了国家自然科学基金（No。62175249）等项目的支持。
　　来源：上海硅酸盐所
　　文章链接：
　　CrystalgrowthDesign：https：doi。org10。1021acs。cgd。1c00779
　　CrystEngComm：https：doi。org10。1039D1CE01617B
　　Materials：https：doi。org10。3390ma15062044
　　浮区法（FloatingZoneMethod，简称FZ法）生长晶体示意图
　　光浮区法Ce：GGAG晶体生长中的熔区实时照片（ac）；移行助剂法熔区稳定照片（d）
　　光浮区法生长的0。20。8at。Ce：GGAG晶体（双面抛光1。0mm厚）
　　光浮区法生长的166at。Tb共掺的Ce：GGAG晶体
　　光浮区法生长的0。20。8at。Ce：GGAG晶体的荧光和闪烁性能。（a）450nm激发下陶瓷的荧光光谱；（b）450nm激发下晶体的荧光光谱；（c）晶体和陶瓷的荧光强度随浓度变化的规律；（d）晶体的归一化荧光光谱；（e）gamma射线（137Cs，662keV）激发下的脉冲高度谱（f）gamma射线（137Cs，662keV）激发下的闪烁衰减时间