上海硅酸鹽所在高能物理用石榴石閃爍陶瓷方向取得進(jìn)展

中國粉體網(wǎng)訊  閃爍體能夠?qū)⒏吣苌渚�或粒子轉(zhuǎn)化為紫外或可見光波段發(fā)光，是人類探索微觀物質(zhì)起源和宏觀宇宙演化的重要介質(zhì)，充當(dāng)著人類觀察高能粒子的“眼睛”角色。閃爍體被廣泛應(yīng)用于科研、醫(yī)療、國土安全和工業(yè)等領(lǐng)域，各領(lǐng)域?qū)﹂W爍材料的性能也提出了針對性要求（Jiang Li, et al. Chapt. 3. Scintillators. In: Processing of Ceramics: Breakthroughs in Optical Materials. Wiley, 2021）。鈰離子摻雜镥鋁石榴石（Ce:LuAG）閃爍陶瓷具有高密度、抗輻照能力強(qiáng)、高亮度、快衰減、制備成本相對較低等優(yōu)點(diǎn)，有望成為新一代Shashlik采樣量熱計的探測材料。

閃爍陶瓷材料的出現(xiàn)不僅豐富了陶瓷行業(yè)的研究內(nèi)涵，更拓展了閃爍晶體材料在醫(yī)療器械、復(fù)合晶體探測器和國家安全等領(lǐng)域的應(yīng)用，是一種具有極大潛能的新材料。目前以石榴石為基體的閃爍陶瓷最受人矚目，因其具有晶界結(jié)合力穩(wěn)定，光學(xué)各向同性，共摻雜或多摻雜能夠降低導(dǎo)帶位置“覆蓋”禁帶中反位缺陷等優(yōu)勢，進(jìn)而降低燒結(jié)溫度提高透明度，此舉有望批量生產(chǎn)并應(yīng)用于航空航天、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域。

近期，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所李江研究員帶領(lǐng)透明與光功能陶瓷研究團(tuán)隊(duì)與捷克科學(xué)院物理研究所Martin Nikl博士和泰國國王科技大學(xué)Weerapong Chewpraditkul博士合作，對備受高能物理實(shí)驗(yàn)界關(guān)注的Ce:LuAG閃爍陶瓷進(jìn)行組分設(shè)計和性能優(yōu)化，獲得進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)基于“缺陷工程”的策略，在Ce:LuAG透明陶瓷中引入二價Ca²⁺，并系統(tǒng)研究了Ca²⁺摻雜濃度對陶瓷微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)質(zhì)量和閃爍性能的影響。通過合適濃度的Ca²⁺共摻，有效誘導(dǎo)Ce⁴⁺快閃爍中心的形成，將Ce:LuAG陶瓷的閃爍快衰減分量（LY_0.5μs/LY_3μs）從79%提升至97%，是目前國際報道的最高值（Danyang Zhu, et al. J. Eur. Ceram. Soc., 2022, 42: 6075-6084）。

石榴石作為極具潛力的閃爍體基質(zhì)材料，其獨(dú)特優(yōu)勢在于晶格對不同陽離子取代的包容高度較大，在四面體、八面體、十二面體格位均可以實(shí)現(xiàn)多種離子取代，這使石榴石光功能材料從傳統(tǒng)的二元石榴石逐漸發(fā)展為三元、四元甚至更多元，其性能也隨著離子取代可以實(shí)現(xiàn)更豐富和靈活的調(diào)控，從而滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域閃爍材料的性能需求。該團(tuán)隊(duì)對多組分石榴石閃爍陶瓷的發(fā)展歷程、制備路徑和優(yōu)化思路進(jìn)行了全面綜述，并總結(jié)提出多組分石榴石閃爍陶瓷未來發(fā)展的前景方向（Danyang Zhu, et al. J. Adv. Ceram., 2022, doi: 10.1007/s40145-022-0660-9）。

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https://doi.org/10.1002/9781119538806.ch3

https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.06.023

https://doi.org/10.1007/s40145-022-0660-9

不同Ca2+摻雜濃度Ce,Ca:LuAG閃爍陶瓷的實(shí)物照片

不同Ca2+摻雜濃度Ce,Ca:LuAG透明陶瓷的閃爍衰減曲線

來源：中科院上海硅酸鹽所

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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