近日，中科院李江研究團隊通過“能帶工程”和“缺陷工程”對LuAG閃爍陶瓷中淺能級缺陷的濃度和陷阱深度進行調控，設計制備的LuYAG:Pr和LuAG:Ce，Mg閃爍陶瓷的光產額分別達到24400ph/MeV和25000ph/MeV。據研究團隊所知，這是國際范圍內同類閃爍陶瓷所達到的最高光產額。
作為閃爍探測器中的關鍵部件，閃爍材料廣泛應用于高能物理、醫學成像以及油田勘探等領域。然而閃爍材料中的缺陷會因捕獲輸運過程中的載流子，延遲閃爍發光降低光產額，而最終影響閃爍探測器性能。
李江研究團隊通過采用第一性原理計算，低溫熱釋光以及同步輻射等技術手段對材料中缺陷的存在形式和缺陷濃度進行表征。提出“能帶工程”和“缺陷工程”共同作用的機制，并設計制備閃爍陶瓷材料LuYAG:Pr和LuAG:Ce，Mg，成功抑制了材料中的淺能級缺陷，實現了材料綜合閃爍性能的提升。
Y3+取代LuAG:Pr不同于一般的離子取代，Y3+與Lu3+離子半徑以及化學性質等接近，取代后不會在禁帶中增加額外能級，而是導致禁帶寬度減少，并使得材料中以反位缺陷為主的淺能級缺陷濃度下降（見下圖）。
圖（a）理論計算LuAG能帶結構；（b）理論計算LuYAG能帶結構；
（c）Y3+取代作用機理示意圖
低溫熱釋光表明，設計制備的材料中缺陷濃度大幅下降。光輸出衰減動力學測試結果顯示，材料中慢發光分量低于30%，光產額提高20%。Mg2+摻雜LuAG:Ce通過控制Ce4+/Ce3+比例，減少了電子陷阱缺陷在載流子輸運中的影響，使得材料光產額超過LuAG:Ce單晶50%。閃爍衰減測試表明材料中快發光分量達到60%。
資料來源于上海硅酸鹽研究所。
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