溶液法快速生長有機晶體的 應用

1、溶液法快速生長有機晶體的應用摘要1,3,5-三苯基苯單晶擁有適合高能中子檢測的性質(zhì)。我們從甲苯溶液中用緩慢揮發(fā)法和降溫發(fā)得到了其晶體。降溫法的生長速度為10mm每天。先前發(fā)展的從水溶液中快速結(jié)晶無極晶體的方法可以同樣適用于有機晶體。我們可以用這些有機晶體作為輻射檢測的閃爍體。1. 介紹低溫溶液生長在很多情況下是最簡單并且成本最低的光學晶體生產(chǎn)方法?？v觀歷史，這種方法可能是最常用的生產(chǎn)人工晶體的技術(shù)，例如大量結(jié)晶，藥物的生產(chǎn)，或者為晶體學和其他物理應用生長的相對較小的晶體。但是，使用這種生長大的，昂貴單晶的方法僅僅能被用在很少的無機水溶性材料，例如羅謝爾鹽，硫酸三甘肽，以及磷酸二氫鉀。對于不溶于

2、水的有機晶體，人們更傾向于用別的方法，Bridgman方法就是其中應用最廣泛的一種。溶液生長方法在純有機體系中的應用受到限制有很多原因，例如物質(zhì)以及溶劑處理以及純化的問題，最重要的是相較于從熔融狀態(tài)高溫生長的速度，傳統(tǒng)的方法生長速度慢很多?，F(xiàn)今經(jīng)濟地生產(chǎn)高純度有機溶劑的可行性以及最近在溶劑生長加速方面的發(fā)展使得生產(chǎn)不同材質(zhì)晶體的方法更加多樣化。當在某些應用方面需要大量的單晶材料，溶液生長方法具有更容易加大規(guī)模的優(yōu)勢。對于有機晶體，有一種放射檢測裝置涉及到芳香物質(zhì)在高能中子檢測中的閃光性。這篇文獻描述了一種碳氫化合物，1,3,5-三苯基苯的大晶體的生長。這是一系列在高能中子檢測有較大應用前景的新

3、型材料中第一個被發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)。晶體是運用一種之前用來生長大水溶性晶體的方法從甲苯溶液中生長的。除了為了獲得一種適合中子檢測物質(zhì)這一實用性目的，這個課題同時也探討了水溶液體系和有機體系的相似與不同之處，這也許在有機晶體生長的研究領(lǐng)域提供啟發(fā)性。2. 材料和表征方法 1,3,5-三苯基苯在很多公司均有售(Aldrich，Alfa Aesar，Acros Organics以及TCI America)。無論所列的純度為多少(從97%到99%)，所有商品都有一點黃色，并且在溶解或加熱時顏色加深。為了純化材料，最初的粉末先在室溫下用丙酮在以密閉容器中攪拌然后從甲苯中重結(jié)晶4-6次知道沉淀變成徹底無色。最終的

4、生長溶液用的是無水甲苯(Aldrich，99.8%)。 生長晶體的中子檢測性質(zhì)通過脈沖形狀甄別技術(shù)來評估，該技術(shù)通過加強中子刺激的延遲光，使得由中子以及伽馬產(chǎn)生的閃爍脈沖分離變成可能。該測試使用包裹著5cm鉛的252Cf作為光源，這使得伽馬比例和中子在同一數(shù)量級，來照射R6231-S Hamamatsu光電倍增管(PMT)的晶體。從PMT陽極收集到的信號通過CompuScope 14200高分辨波形數(shù)位板以200MS/s的速率記錄。通過QTail/QTotalPSD來評估晶體對從252Cf發(fā)射的伽馬和中子射線的分辨能力。波形通過兩個間隔時間進行整合：tTotal和tTail分別代表總時間和信號

5、延遲時間。電荷的比例，R=QTail/QTotal，代表說明了其更傾向于由中子射線產(chǎn)生(R值較大)還是伽馬射線產(chǎn)生(R值較小)。PSD測試的時間盡量最大化每個材料的靈敏度(FOM,見公式4)。tTail分別在二苯乙烯以及1,3,5-三苯基苯脈沖峰后75ns以及140ns，然后一直到脈沖峰后1750ns。我們注意到R值對tTail的開始點更為敏感，因為大多數(shù)延遲發(fā)射在最初的500ns內(nèi)就完全出現(xiàn)了。在紫外光的激發(fā)下，光致發(fā)光(PL)光譜用Fluoromax-2分光儀測試。在90Sr/90Y下的光激發(fā)產(chǎn)生的發(fā)射光譜與兩個無極標準晶體，BGO和BaF2，相比較得到晶體的閃爍光產(chǎn)率。3. 晶體生長和性

6、質(zhì)3.1. 通過溶劑揮發(fā)的小晶體生長 最初用來評估性質(zhì)的1,3,5-三苯基苯(3-PB)晶體使用的是溶劑緩慢揮發(fā)法生長的。就像之前文獻報道的，在室溫下，足夠用來做X射線衍射(XRD)測試的小面單晶可以通過溶劑緩慢揮發(fā)制備。通過顯微鏡檢測篩選出其中最好的警惕作為大單晶的晶核。由于沒有生長最初晶體的溶解性數(shù)據(jù)，最初的溶液通過在甲苯中放入過量固體粉末制備。溶液在室溫下在密封瓶中攪拌數(shù)天以達到飽和。盡管緩慢揮發(fā)法看起來很容易，但是仍舊很難獲得相對較大，厘米級別的單晶。主要原因是其自發(fā)結(jié)晶成核，使得產(chǎn)生不可控制的多晶沉淀。這個問題在使用揮發(fā)性有機溶劑時尤為嚴重，例如甲苯。為了減少這種現(xiàn)象帶來的不利影響，

7、我們把飽和的1,3,5-三苯基苯(3-PB)溶液小心轉(zhuǎn)移到一個單獨容器中，加上中間有小孔的蓋子。密封小孔，然后將溶液加熱到高于室溫15-20，之后讓溶液自然冷卻。不揮發(fā)溶劑的加熱會破壞多經(jīng)的聚集狀態(tài)，從而大幅增加溶劑自然結(jié)晶的穩(wěn)定性。密閉狀態(tài)下體系的冷卻促進了容器內(nèi)壁上溶劑的冷凝，避免了在干燥表面上的進一步結(jié)晶成核。當體系溫度略高于室溫時，打開瓶蓋小口，把小晶核置入溶液體系中。為了除去透明灰塵以及表面缺陷，在達到飽和之前晶核的小量溶解是必須的。然后通過緩慢揮發(fā)生長晶體。用不同大小的小孔來控制揮發(fā)和生長速度不超過1mm/天。通過這些簡單的步驟，大量有機物質(zhì)的新單晶生長到厘米級別，并且擁有很好的光

8、學性能，足夠用來測試他們在種子檢測中的性能。圖1是一些這種晶體的例子。圖1 通過緩慢揮發(fā)法得到的有機單晶；背景方格為6.5mm用緩慢揮發(fā)法制的多種1,3,5-三苯基苯(3-PB)晶體的測試結(jié)果顯示大部分晶體形成一種以六棱鏡為主體在頂部和底部有穹頂?shù)木停讽攦蓚?cè)的角度為105°(圖2A)。在一些晶體中觀察到小面，說明如圖2B所示的這些規(guī)則的簡單形狀不是1,3,5-三苯基苯(3-PB)的完全平衡結(jié)構(gòu)，在不同環(huán)境下生長的晶體可能有更加復雜的面。晶體在垂直與生長軸的平面上有一個明顯的斷裂。之前的文獻報道1,3,5-三苯基苯(3-PB)晶體屬于正交晶系，mm2型對稱結(jié)構(gòu)以及Pna21空間群。

9、在晶體中近乎平面的分子分層分布解釋了斷層的存在(如圖2C)。斷層的方向垂直于晶體的a方向，這使得我們可以在晶體中定位結(jié)晶軸，如圖2所示。晶體密度通過比重計測量，為1.14g/cm³，這比之前得到的小晶體小(1.221g/ cm³)。建立的形狀構(gòu)型以及密度可以用來計算在晶體在降溫法中快速生長的的體積和質(zhì)量。圖2 (A) 用緩慢揮發(fā)法從甲苯中得到的1,3,5-三苯基苯晶體，垂直長度為42mm (B) 從甲苯中得到晶體的小面：a-c表示結(jié)晶軸方向，其他字母標記的大小在快速結(jié)晶法中測量 (C) 根據(jù)文獻中數(shù)據(jù)以Pna21點群排列分子，右上角插入圖為單分子結(jié)構(gòu)3.2. 降溫法快速生長

10、晶體 在緩慢揮發(fā)法中，主要的無法得到大晶體的問題是缺少溶液的攪拌。在靜止溶液中的自然對流使得在生長晶體表面無法得到充足均一的結(jié)晶物質(zhì)，這導致了一種擴散生長，只有在小晶體以及極慢的生長速度時晶體的生長才沒有缺陷。然后我們使用了一種之前建立較為完善的用降溫法生長KDP型物質(zhì)來生長更大更好的1,3,5-三苯基苯(3-PB)晶體。在這種技術(shù)中，我們把裝有2.5L的Pyrex結(jié)晶器(圖3)放到可精確到0.05的外置水浴中。所有控制器件，包括攪拌器，加熱器，冷卻器以及熱電偶都放置在結(jié)晶器外，讓溶液和器件的接觸面積最小。盡管結(jié)晶器設(shè)計的和之前用來做KDP型結(jié)晶的一樣，但是因為有機溶劑的使用，我們?nèi)耘f需要做出

11、一點改變?？梢阅退g的塑料不能在甲苯中應用。較為惰性的聚四氟乙烯也不是很適合這個方法，因為它較軟且在加熱的甲苯中溶液分解。用來做平臺，攪拌器以及瓶蓋的尼龍有較好的硬度以及惰性。由于密封結(jié)晶器的設(shè)計在快速生長中對控制生長參數(shù)非常重要，我們對密封瓶蓋也做出了一點改進來防止甲苯的揮發(fā)進而導致的在生長過程中由于表面干燥致使的自然成核。處于相同的目的而防止甲苯的揮發(fā)，我們使用耐甲苯的管子轉(zhuǎn)移溶液。在操作中不讓甲苯接觸空氣也是使用易燃易爆物質(zhì)的安全措施之一。圖3 用來生長晶體的結(jié)晶器實物圖(a)和原理圖(b) 在低溫溶劑生長中，相對過飽和度是獲得較好生長速率的最重要的指標。它被定義為=(CC0)/C0，

12、C和C0分別代表在生長溶液中的實際和平衡濃度。在一般降溫法緩慢生長操作中，晶體生長時，>0是由粗略估計下降溫度來逐步增加晶體大小得出的。但是，在快速生長中，隨機選擇的降溫導致生長速率的大幅波動，進而造成粗糙的晶體缺陷以及自然結(jié)晶成核。通過檢驗過飽和度可以得到更好的控制，它在特定溫度下同時考慮了溶解度以及逐步增加的晶體質(zhì)量：P和C0分別代表最初生長溶劑的質(zhì)量和平衡濃度，C0t代表在測定溫度時的平衡濃度。為了獲得1,3,5-三苯基苯(3-PB)在甲苯中的溶解度，還有固體粉末的溶液在一定溫度下在密閉結(jié)晶器中接哦版1-2天。平衡濃度C0(圖4)通過對溶液在干燥到一定質(zhì)量時的溶液稱重得到。但是粉末

13、可能在干燥溫度時升華，因而通過在該溫度下密閉體系中已知濃度的溶液里晶體在一段時間內(nèi)既不生長也不溶解證明這些數(shù)據(jù)的正確性。結(jié)果可以近似為一個指數(shù)方程：這可以用來計算在測量范圍內(nèi)某一溫度時的C0。通過溶解度數(shù)據(jù)，溶液可以達到期望的飽和度，溫度被選擇在50-55。生長溶劑在過濾后在結(jié)晶器中加熱到高于飽和點10-15幾個小時，攪拌器連接到一個回轉(zhuǎn)機構(gòu)來提供50-60轉(zhuǎn)每分鐘的速度，每個方向轉(zhuǎn)15秒，在晶體生長時使用相同的轉(zhuǎn)速。圖4 1,3,5-三苯基苯在甲苯中溶解度隨溫度變化曲線 從之前通過緩慢揮發(fā)法生長的晶體的長軸上切下頂部作為晶核。晶核被站在一個平臺中央的小孔上，這樣環(huán)氧樹脂膠只接觸它的底部。如之

14、前所述，這種連接方法顯著減少了自然結(jié)晶成核以及在晶核再生過程中缺陷的形成。裝有晶核的平臺在一個空的結(jié)晶器中緩慢加熱到比飽和溫度高5-7。生長溶液在冷卻到相同溫度前，導入結(jié)晶器中。帶有晶核的溶液然后冷卻到飽和溫度開始生長過程。圖5 1,3,5-三苯基苯單晶：(a)生長狀態(tài) (b)60mm*55mm*41mm單晶 (c)86mm*70mm*5mm單晶 (d)在紫外光照射下的圖片小部分溶解的晶體在約為5%時發(fā)生最初的再生長(低于55飽和溫度約2)，在生長中逐漸增加，最后達到10%。晶體大小每天測量一次。我們用一種特別的放大設(shè)備測定其垂直大小。為了測量其水平面大小，我們在平臺表面劃上了5mm的格子。沒

15、有了圖2中的額外的小面，我們得到了一對稱的晶體。這使得我們可以利用六棱鏡和兩條邊的穹頂?shù)慕M合形狀來計算晶體體積。下面這個半經(jīng)驗公式是基于晶體是相對于穿過其中心的(010)面和(001)面完全對稱的假設(shè)的基礎(chǔ)上得到的：這使得計算其質(zhì)量可以精確到僅有百分之幾的誤差。在這個公式中，是晶體密度，其他參數(shù)如圖2所示。很明顯，在各個面上不均一的生長速度以及不對稱的形狀，使得計算晶體體積需要引入很多更精確以及復雜的算式。生長速度，質(zhì)量以及過飽和度可以通過測試簡單計算。為了獲得降溫幅度，我們需要在其當前生長速度上測量第二天的晶體質(zhì)量。這個預期的質(zhì)量以及稍稍增加的過飽和度可以通過溶解度公式2來計算第二天的C0t

16、和對應的溫度。通過這些步驟，我們得到了如圖5所示的第一個相對較大的1,3,5-三苯基苯(3-PB)晶體，接近10cm大小。盡管我們盡量控制生長速度Ra約為10毫米/天，但是由于缺少R與以及t之間關(guān)系的信息，生長速度上出現(xiàn)了一些波動。這與用降溫法控制KDP生長速率的情況很相似。完全重現(xiàn)在固定速率下生長晶體需要更多的努力。但是，第一個實驗的總體結(jié)果證明之前為水溶性晶體設(shè)計的溶液生長法也可以應用于純的有機物的晶體生長。3.3. 中子檢測性質(zhì)圖6 (a)1,3,5-三苯基苯單晶發(fā)射光譜 (b)和PPO參雜的1,3,5-三苯基苯單晶熒光強度比較，激發(fā)波長為273nm和很多其他的芳香族化合物一樣，1,3,

17、5-三苯基苯(3-PB)具有熒光(圖5d和6a)，這證明了它可以用來作為閃爍體。有機閃爍體的一個特有性質(zhì)是除了表現(xiàn)出主要的閃爍光呈指數(shù)下降(瞬間熒光)，他們在同一降低的峰能處表現(xiàn)出延遲發(fā)光，也就是有更長的減弱時間。雙減弱熒光首先是通過蒽，反式二苯乙烯和對三聯(lián)苯說明以及發(fā)展的。根據(jù)大家所接受的機理，造成PSD現(xiàn)象的較慢減弱是由于成對分子(或激子)在最低激發(fā)三重態(tài)T1的碰撞作用。而較快的減弱是由于直接從單重態(tài)S1回到基態(tài)。圖7對該過程進行了解釋。由于三重態(tài)在分子之間可以轉(zhuǎn)化，能量不停轉(zhuǎn)移直到兩個三重態(tài)相撞并經(jīng)歷一個Auger向上轉(zhuǎn)換過程：T1+T1->S0+S1。中子延遲發(fā)光加強是由于中子碰

18、撞產(chǎn)生的能量光子在短波范圍內(nèi)(因此產(chǎn)生高濃度的三重態(tài))，相較于從gamma射線中產(chǎn)生的長波電子，加強了在伽馬輻射存在的高能中子檢測中，有機閃爍體的脈沖形狀分辨性能。圖7 中子激發(fā)的帶有苯環(huán)的有機物延遲熒光的基礎(chǔ)物理過程 在了解這些性質(zhì)的研究中，主要用了一種有效的PSD物質(zhì)，反式二苯乙烯單晶。這是一種已經(jīng)被用了幾十年的作為比較其他固體以及液體閃爍體的標準舞。近段時間，研究人員使用高速波形數(shù)位板大大的簡化了伽馬-中子信號的處理，使得我們可以研究更為廣泛的新型材料。1,3,5-三苯基苯(3-PB)就是第一種晶體，它的PSD性質(zhì)在中子檢測方面有一定的應用潛力。進來大量使用1,3,5-三苯基苯(3-PB

19、)晶體進行的PSD測量表明，其有較好的中子-伽馬分辨力，得到的中子-伽馬峰距和二苯乙烯晶體得到的數(shù)據(jù)相似。通過常用的計算公式和二苯乙烯的FOM值進行比較，可以更加精確地評估1,3,5-三苯基苯(3-PB)的PSD性質(zhì)：該公式不僅僅計算了中子和伽馬的峰距S，還計算了半峰寬。從圖8中得到的結(jié)果顯示，相較于二苯乙烯晶體，1,3,5-三苯基苯(3-PB)得到的FOM值略小。這一差距主要是由于在1,3,5-三苯基苯(3-PB)的PSD圖中單一點的更寬的衍射，其中部分原因是1,3,5-三苯基苯(3-PB)的熒光脈沖相對低很多。在引入Beta的分辨光產(chǎn)率中顯示， 1,3,5-三苯基苯(3-PB)測得的值(6

20、000 Ph/MeV)低于二苯乙烯(25000 Ph/MeV)的四分之一。這一相對較低的分辨力降低了1,3,5-三苯基苯(3-PB)成為廣泛應用的中子檢測材料的可能性。但是，可能進一步的研究可以克服這一問題。我們最近的研究顯示，加入少量的明亮的熒光團，例如二苯乙烯，二苯丁二烯以及2，5-二苯基惡唑(PPO)，也許可以使發(fā)光強度以及分辨光產(chǎn)率上升，使得這種新型PSD材料可以得到更加廣泛的實際應用。圖8 (a)與(b)分別為用二苯乙烯和3-PB得到的中子-伽馬PSD圖譜，矩形代表用來做FOM計算的波形以及能量范圍 (c)和(d)分別代表二苯乙烯和3-PB的FOM計算值。所有測試用的是252Cf光源

21、。3.4. 在不同有機閃爍體中的PSD模型比較 1,3,5-三苯基苯(3-PB)晶體的生長說明很多用小晶體來做中子檢測的有機物，例如圖1中所示的物質(zhì)，可以生長到實際應用所需的大小。大量新型晶體的產(chǎn)生為在不同種有機材料下研究PSD現(xiàn)象創(chuàng)造了機會。在該研究中，最大的問題是建立一個使這一系統(tǒng)可行的PSD過程參數(shù)，而且對應一定的性質(zhì)，例如化學組成，分子和晶體結(jié)構(gòu)等等。這些參數(shù)需要可以用來比較，選擇以及加工新型材料。 在這項工作中，我們?yōu)槊枋?,3,5-三苯基苯(3-PB)和反式二苯乙烯對伽馬和中子的相應建立了一個模型。如圖7所示，模型是以一個簡單的物理圖像為基礎(chǔ)，同時包含了單重和三重激發(fā)態(tài)的數(shù)量，N。

22、在公式中，假設(shè)Auger向上轉(zhuǎn)換系數(shù)()和激發(fā)態(tài)壽命和對伽馬及中子響應時相同。我們定義最初的做中子響應的三重態(tài)濃度是1，其他濃度都為對三重態(tài)最初濃度的相對濃度。通過X2最小方程，得到伽馬和中子峰混合歸一響應波形。其結(jié)果如圖9所示。我們加入了固定比例的誤差，1,3,5-三苯基苯(3-PB)為4%，二苯乙烯為9%，和每個點的統(tǒng)計誤差進行正交，得到每近似一個自由度一個2 。這也許給我們一個未知體系的粗略估計，就像PMT特征以及提供解決各個刺激的峰時間問題。從單光子計數(shù)器得到的混合波形可以在未來的工作中減少系統(tǒng)影響。我們注意到為了符合以上的歸化，需要三重態(tài)壽命遠大于單重態(tài)壽命，使得三重態(tài)壽命對該模型影

23、響較小。我們同時發(fā)現(xiàn)，讓一部分單重態(tài)轉(zhuǎn)換到三重態(tài)后無法對有意義的參數(shù)值進行可行的歸化。這一結(jié)果說明三重態(tài)的出現(xiàn)是由基態(tài)直接激發(fā)而成的，而不是通過單重態(tài)的非輻射性松弛進行的系間穿越。從1,3,5-三苯基苯(3-PB)以及二苯乙烯樣本得到的參數(shù)值如表1所示。 這一模型說明兩種物質(zhì)三重態(tài)的伽馬響應占最初激發(fā)的很小的一部分。但是，最初的來自中子激發(fā)的三重態(tài)數(shù)量明顯超過單重態(tài)數(shù)量。從表1中可知，對伽馬和中子刺激的響應的變化主要是由于兩種物質(zhì)單重態(tài)濃度的下降。中子刺激中的1,3,5-三苯基苯(3-PB)三重態(tài)比伽馬響應的略多，但是在二苯乙烯中卻是相反的。三重態(tài)響應的變化是由于相較于單重態(tài)濃度的變化，對兩種物質(zhì)的輻射均太小。提取出的單重態(tài)壽命約以二次方變化，而兩種物質(zhì)的Auger向上轉(zhuǎn)換系數(shù)則較為接近。需要注意的是，從最小化法計算得到的二苯乙烯的值部分取決于線性規(guī)劃在尾部延長多少。 由于延長發(fā)光對總發(fā)光的比例是一個標準PSD指示符，理想的中子響應需要滿足以下條件：1 在初始濃度中，三重態(tài)占大部分比例；2 單重激發(fā)態(tài)快速衰減； 3 三重激發(fā)態(tài)緩慢轉(zhuǎn)換為