Lu₃Al₅O₁₂基闪烁陶瓷的研究进展

闪烁材料是一种能将入射的高能射线或高能粒子转化为可见光或紫外光的功能材料，已经在放射医学、高能物理、核物理、工业检测、地质勘探、安全检查等领域得到广泛应用。其中，稀土离子掺杂的镥铝石榴石（Lu₃Al₅O₁₂，简作LuAG）是近年来研究比较活跃的一类闪烁材料。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所石云副研究员等人在《发光学报》上发表了题为“Lu₃Al₅O₁₂基闪烁陶瓷的研究进展”的综述文章。

该综述以LuAG基闪烁陶瓷为出发点，系统地综述了LuAG的晶体结构和物化性能，LuAG基闪烁陶瓷的制备方法和结构缺陷研究，以及组分调控和材料计算在设计新型LuAG基闪烁材料方面的创新成果等。指出Ce:LuAG陶瓷因其高光效和优异的抗辐照损伤性能，被列为高能物理新一代电磁量能器的备选材料；Pr:LuAG具有快衰减时间和高温荧光热稳定性，在核医学PET成像和油井勘测等领域显示了应用潜力。讨论了LuAG基闪烁陶瓷在组份设计、性能调控和微结构表征技术发展方面的最新动态，对其前景进行了展望。

1. 引言

当前闪烁材料的发展趋势是向着更高密度、更快衰减、更高光产额的方向，从传统的低熔点体系向多组份高熔点体系的闪烁材料不断拓展。而不同的应用领域对闪烁材料性能需求的侧重点也各不相同，例如高能物理领域要求闪烁材料具有更高的抗辐照损伤性能；核医学成像领域则强调材料的衰减时间和透明度；LuAG具有密度高（高能射线阻止能力强）、物理化学性能稳定等优势，且石榴石结构可实现掺杂离子的多格位掺杂，在闪烁发光的光谱设计和性能调控上具有明显的优势，是近年来闪烁材料研究领域倍受关注的材料体系之一。

LuAG属于石榴石结构立方晶系，体心立方晶格，密度较高（6.67g/cm³），有效原子序数大（Zeff = 63），对各种射线的吸收阻止能力强，物理化学性能稳定，是一种优异的闪烁基质材料。近年来，通过晶体生长技术的优化，LuAG基闪烁晶体的性能正在稳步提高。但LuAG熔点高达2010°C，晶体熔融生长的所需温度较高，生长周期较长，并存在发光离子分凝系数问题。同时，在LuAG晶体中存在一种重要的反位置缺陷陷阱，其浓度与制备温度呈正向相关，相较而言，LuAG基闪烁陶瓷具有制备温度低、工艺简单、成本较低的优势，具有重要的应用前景和发展潜力。

2. 制备、组分与闪烁性能调控

LuAG基闪烁陶瓷的制备涉及粉体合成，陶瓷烧结以及温度后处理等。粉体的制备主要有固相反应法和液相共沉淀法，还包括溶胶凝胶法和燃烧法等。固相反应法是制备LuAG基闪烁陶瓷常见的方法，具有工艺简单，制备周期短的优势。而液相法有利于获得高纯高烧结活性的纳米粉体，在不添加烧结助剂的情况下即可经烧结获得高光学质量透明陶瓷，但是存在制备周期长，工艺过程中影响因素多的不足。LuAG基闪烁陶瓷的烧结主要有真空烧结，氢气烧结和放电等离子烧结（SPS）等，其中以真空烧结法报道最多。

图1 采用固相反应真空烧结法制备的不同Ce掺杂浓度的LuAG闪烁陶瓷，双面抛光1.0mm厚

在LuAG结构中，占据十二面体格位的Lu³⁺和八面体格位的Al³⁺可以被性质类似的其他离子掺杂取代，从而实现光谱设计和性能调控。闪烁发光是一个复杂的过程，可以分为转换、传输和发光三个连续的子过程。闪烁材料的发光原理决定了它对微缺陷和组分非常敏感：微缺陷影响载流子的传输和复合，组分决定了材料的禁带宽度和发光中心的位置。一些新型先进表征技术，如同步辐射X射线近边吸收谱（XANES），电子自旋共振谱（ESR）和热释光谱（TSL）等已经用于研究LuAG中的组分和微缺陷效应。组合材料样品库技术和材料模拟计算等也已经用于开展高通量组分筛选，并取得积极效果。

目前，稀土Ce³⁺和Pr³⁺掺杂的LuAG闪烁陶瓷研究进展较快，部分组分的闪烁性能已优于同类单晶，并向器件化推进。Ce:LuAG陶瓷因其高光效和优异的抗辐照损伤性能，被列为高能物理新一代磁性量能器的备选材料；Pr:LuAG具有快衰减时间和高温荧光热稳定性，在核医学PET成像和油井勘测等领域显示了应用潜力。基于缺陷工程和能带工程，通过Mg²⁺ 和Y³⁺掺杂，Ce:LuAG和Pr:LuAG陶瓷在闪烁性能上都获得突破性提升，但余辉和衰减慢分量仍有待优化；随着光电探测器的发展，新型红光闪烁材料的研究也逐渐引起关注，研究的重点是解决当前闪烁光产额低和衰减时间长的问题。

3. 展望

总之，LuAG具有高能射线阻止能力强、物理化学性能稳定等优势，且石榴石结构易于实现掺杂离子的多格位掺杂，在闪烁发光的光谱设计和性能调控上具有明显优势；LuAG基闪烁陶瓷相对单晶具有制备温度低，工艺简单，成本较低的优势，具有重要的应用前景和发展潜力。此外，引入高通量组分设计，发展先进的微结构表征技术等对组分和缺陷进行精确计算表征，有利于阐明发光机理，并对提高闪烁性能提供有益的参考。

作者简介：

石云，博士，副研究员，《发光学报》第一届青年编委，现任中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室副研究员，硕士生导师。2006年毕业于中国科学院固体物理研究所，获凝聚态物理理学博士学位；2006年至今在中国科学院上海硅酸盐研究所工作。2010年在美国加州理工学院和宾州州立大学短期访问。作为项目负责人先后主持和参与了国家自然科学基金，科技部863项目，上海市科委项目，中科院先导和重点研发项目等10余项；已发表研究论文80余篇（第一和通信作者17篇），专利授权10余项。J. Mater. Sci. & Tech., J. Adv. Ceram., J. Phys. Chem.，J. Am. Ceram. Soc.，J. Eur. Ceram. Soc., Opt. Mater., J. Alloys Compd., J. Mater. Res., Ceram. Int.和光子学报等国内外发光和材料类专业期刊通信审稿人。目前研究方向为：新型光电功能材料的无容器制备技术及结构物性研究。在高能射线探测成像（X-CT，PET 等）用闪烁材料和LED /激光照明用荧光材料等领域已取得一系列进展，研究工作包括理论计算、材料制备和性能优化等。

编辑 | 赵阳

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