近日，晶體材料國家重點實驗室陶緒堂教授團隊采用水溶液法在Cs₃Cu₂I₅單晶中微摻雜異價磁性離子實現了創紀錄的閃爍性能，其光產額達95,700 photons/MeV（¹³⁷Cs），閃爍衰減時間為3 ns (81.5%),能量分辨率為3.79%（662 KeV）。該單晶具有低成本、高密度（4.56 g/cm³）、高有效原子序數（52.2）、無自吸收、無放射性本底、無解理面、無毒性元素、優異的化學穩定性、不易潮解，對空氣中光線不敏感等特點。這些突出的閃爍性能，適合實際應用的固有物理特性以及低成本制備優勢，使得該單晶可能成為一種理想的閃爍體，展現出廣闊的應用前景。

相關研究成果以“Achieving a record scintillation performance by micro-doping heterovalent magnetic ion in Cs₃Cu₂I₅single-crystal”為題在線發表于國際期刊Advanced Materials（Adv. Mater. 2023, 2304938. DOI: 10.1002/adma.202304938）。晶體材料國家重點實驗室姚倩博士后和軍事科學院李家明博士是本文的共同第一作者，山東大學為第一作者和第一通訊單位。

圖1、Cs₃Cu₂I₅:Mn單晶及其晶體質量表征

圖2、Cs₃Cu₂I₅:Mn單晶的閃爍衰減時間

圖3、Cs₃Cu₂I₅:Mn單晶的光產額和能量分辨率

閃爍體是一種能有效地吸收電離輻射并將能量轉化為光的發光材料。經過100多年的探索和研究，目前已開發出幾十種有價值的閃爍體，在核醫學成像診斷、高能物理、核物理、天體物理、安全檢查、地質勘探等領域都有廣泛的應用。然而，到目前為止，還沒有一個閃爍體能夠提供所需的高光輸出、超快閃爍衰減、優良的環境穩定性和低成本的完美結合。例如：備受矚目的LaBr₃:Ce晶體是目前已知綜合性能最好的閃爍體，具有光輸出高（60,000~70,000 photons/MeV）、能量分辨率低（<3%）和衰變時間短（16~20 ns）等優點。然而，該晶體具有放射性本底和極易潮解的缺點，而且生產成本高。

陶緒堂團隊發現異價磁性離子的微摻雜（ppm級別）可以有效調節閃爍體中自俘獲激子的發光動力學。在Cs₃Cu₂I₅單晶中均勻引入微量磁性離子Mn²⁺（~18.6 ppm），采用溶液法生長了高質量的體塊Cs₃Cu₂I₅:Mn單晶閃爍體。他們與軍事科學院王尊剛團隊合作，發現該單晶展現出超快的閃爍衰減時間和超高的光產額。

該工作得到了國家自然科學基金、山東省自然科學基金和和晶體材料國家重點實驗室的大力支持。

相關鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202304938

文章來源：山東大學晶體材料國家重點實驗室