零维金属卤化物闪烁晶体的制备与性能研究

作     者：徐婷婷 

作者单位：上海师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙大志;吴云涛

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：闪烁体 单晶 低维 金属卤化物 溶液法 

摘      要：近年来,低维金属卤化物因其独特的电子结构和优异的光学特性而备受关注,其具有高射线阻止能力、高光致发光量子效率(PLQY)和强自陷激子(STEs)发光,在核辐射探测方面展现出了非常广阔的应用前景。作为闪烁体,低维金属卤化物可将不可见的高能射线或粒子转化为紫外、可见或红外光,并广泛用于医学成像、国土安全和安全检查等领域。基于化学组成,低维金属卤化物可分为全无机和有机-无机杂化两类。低维结构使得电子态的局域化和激子-声子耦合增强,更容易形成自限激子和更强的激子发光。这些特性使低维金属卤化物表现出高光致发光量子效率、大斯托克斯位移(无自吸收)和宽带发射。此外,低维金属卤化物还具有高稳定性和易于溶液制备等优点。本文采用简便的溶液法制备了零维铜(I)基全无机和有机无机杂化以及零维锰(II)基有机无机杂化金属卤化物,并对其光学和闪烁性能进行了全面研究。利用反相溶剂扩散法,成功制备出厘米级零维CsCuI单晶。该晶体具有高荧光量子效率、大斯托克斯位移、高光产额、超低余辉以及非潮解性等特性,而且表现出优异的X射线和γ射线探测性能,与熔体法制备的CsCuI晶体性能相当。利用降温结晶法,成功制备出零维(Bmpip)CuBr(Bmpip为丁基甲基哌啶)和PPhCu Br(PPh为四苯基膦)单晶,其中(Bmpip)CuBr的宽带发射峰值在620 nm处,斯托克斯位移为2.05 e V,具有48.2%的高光致发光量子效率。(Bmpip)CuBr不仅表现出16,000 photons/Me V的高光产额和0.71μGy/s的低X射线检测限,而且也具有56 ns的快衰减时间特性。这些特性使得其在低剂量射线照相和动态成像应用中显示出相当大的潜力。利用缓慢溶剂蒸发法和降温结晶法分别制备出零维TBACu I(TBA为四丁基铵)和TPACu I(TPA为四丙基铵)单晶。TBACu I和TPACu I均为单斜晶系,表现出双波段白光发射,发射光范围覆盖400-800 nm的整个可见光谱,TBACu I发射峰位于473和678 nm,TPACu I发射峰分别位于488和634 nm。TBACu I的衰减时间分别为4.1和6.0μs,TPACu I的衰减时间分别为3.7和5.6μs。这两种不同的微秒衰减寿命与高效的超宽带双频相结合发射以及大的斯托克斯位移表明TBACu I和TPACu I都有两个独立的自陷发射中心,有两种不同的自陷激发态。TBACu I和TPACu I单晶的PLQY分别为70.6%,62.1%。TBACu I和TPACu I的闪烁产额为24,000photons/Me V。TBACu I和TPACu I的余辉水平与BGO的余辉相当,分别具有125 n Gy/s和130 n Gy/s的低检测限。利用反相溶剂扩散法,制备了一种高效的无铅零维X射线闪烁晶体(CHP)Mn Br。(CHP)Mn Br为单斜晶系,在518 nm处呈现绿色发射峰,具有74.2%的高PLQY、32,000 photons/Me V的高稳态X射线光产率和288 n Gy/s的低检测限。由于具有环境友好、长期稳定性和出色的闪烁性能等优点,这种锰(II)基有机无机杂化(CHP)MnBr单晶是一种极具商业应用前景的闪烁体。