LuYSiO閃爍晶體的生長(zhǎng)和光譜特性

1、第 20 卷 第 6 期 無(wú) 機(jī) 材 料 學(xué) 報(bào) Vol. 20,No. 6 2005 年 11 月 Journal of Inorganic Materials Nov., 2005 _嚴(yán)成鋒，趙廣軍，張連翰，徐軍（中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海 201800）雙峰395nm和418nm歸屬于Ce1發(fā)光中心，而435 nm 的發(fā)光峰與Ce2發(fā)光中心有關(guān)。 關(guān) 鍵 詞： LYSO；閃爍晶體；提拉法；光學(xué)特性中圖分類(lèi)號(hào)：0782 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1 引言高能物理實(shí)驗(yàn)和核物理是閃爍晶體研究和開(kāi)發(fā)的主要推動(dòng)力，也是新型閃爍晶體首先和主要服務(wù)的領(lǐng)域，它們都是超大型的，除了要求晶體的閃爍性能較好外

2、，還要求閃爍晶體的尺寸大和較低的價(jià)格，因此近年來(lái)尋求具有高光輸出快衰減及大尺寸易生長(zhǎng)的閃爍晶體已成為人們研究的熱點(diǎn)。由于Ce:Lu2SiO5(LSO)晶體具有高密度、高原子序數(shù)、高光輸出和快衰減時(shí)間等優(yōu)良的閃爍性能而早已為人熟知14。但作為實(shí)用的閃爍晶體，LSO也存在問(wèn)題，其原料Lu2O3價(jià)格昂貴、熔點(diǎn)高，晶體不易大尺寸生長(zhǎng)等 5。_收稿日期：2004-11-01, 收到修改稿日期：2004-12-10基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金（50402008）作者簡(jiǎn)介： 嚴(yán)成鋒 （1979-），男，博士研究生， E-mail: ychf7906。13011305 無(wú) 機(jī) 材 料 學(xué) 報(bào) 20卷表1 LY

3、SO混晶和稀土正硅酸鹽Re2SiO5單晶體的物理與閃爍性能 110 Table 1 Physical and scintillation properties of LYSO and Re2SiO5 crystalsProperty YSO GSO LSO LYSO Melting /CoZeffDensity /g·cm-3StructureRadius of 3+ cation /nm198019502150205039 59 66 64 4.54 6.71 C2/c 0.91 0.34 420 10000 37 noP21/c 0.938 0.56 430 8000 60 (1

4、00)7.4 7.0 C2/c 0.848 0.22 420 25000 40 noC2/c 0.32 418 27000 38 noCe distribution coefficientmax emission /nm Light output /Ph·MeV-1 Decay Constant/ns Cleavage2 實(shí)驗(yàn)(1-x-y) Lu2O3 +yY2O3 +SiO2 +2x CeO2 = Lu2(1-x-y)Y2yCe2xSiO5 +x/2 O2 生長(zhǎng)配料嚴(yán)格按上式進(jìn)行，其中x=0.3mol%，y=20 mol%。把多晶LYSO投料到尺寸為100mm銥坩堝里，在高純氮?dú)釴

5、2的保護(hù)氣氛下，4mm×4mm×25mm的LSO為籽晶，籽晶轉(zhuǎn)速為1025rpm、提速為24mm/h，并在混晶的熔點(diǎn)約2000 °C下提拉生長(zhǎng)。晶體生長(zhǎng)界面微凸，晶體長(zhǎng)成后，緩慢降溫至室溫。生長(zhǎng)出較大尺寸60mm×110mm的晶體。2.2 晶體加工和表征沿垂直于晶體生長(zhǎng)方向進(jìn)行切割，雙面拋光后的樣品厚度均為1.0mm。晶體宏觀質(zhì)量測(cè)試采用20mW的He-Ne激光器檢測(cè)；光譜實(shí)驗(yàn)和測(cè)試：吸收和透過(guò)光譜測(cè)試采用日本JASCO公司的UV/VIS/NIR Spectrophotometer V-570 (紫外/可見(jiàn)/近紅外分光光度計(jì))測(cè)量，波長(zhǎng)測(cè)量范圍是190-

6、1000nm；發(fā)射譜采用日本JASCO公司的Spectrofluometer FP-6500 (分光熒光計(jì))測(cè)量，范圍是220-750nm。所有測(cè)試均在室溫下進(jìn)行。3 結(jié)果和討論3.1 LYSO晶體質(zhì)量和物理參數(shù)用20mW的He-Ne激光器光束分別通過(guò)LSO和LYSO晶體，在LYSO晶體中幾乎看不到線偏振光束，而在觀測(cè)LSO晶體時(shí)可明顯看到線偏振光束的存在。表明提拉法生長(zhǎng)LYSO晶體內(nèi)部幾乎無(wú)光散射中心，而LSO晶體卻存在散射顆粒。說(shuō)明生長(zhǎng)的LYSO比LSO晶體有更少的包裹物，晶體的均勻性更好。這可能是由于Y的加入，明顯降低生長(zhǎng)時(shí)熔體的粘度，使LYSO13011305 無(wú) 機(jī) 材 料 學(xué) 報(bào)

7、20卷 晶體具備了YSO晶體的優(yōu)良生長(zhǎng)質(zhì)量。曾有文獻(xiàn)采用光學(xué)掃描電子顯微鏡檢測(cè)到LSO晶體中的包裹物的成分主要是由稀土氧化物組成6。3.2 光譜特性透射光譜曲線往往直接反映了晶體的光學(xué)質(zhì)量，圖2給出LYSO晶體的透射光譜，在波長(zhǎng)400nm到800nm之間都沒(méi)有可觀察的吸收峰，LYSO晶體的透過(guò)率達(dá)到了83，說(shuō)明提拉法生長(zhǎng)的LYSO晶體光學(xué)質(zhì)量較好。 10080604020200400600 Transmission/%Wavelength /nm圖2 LYSO晶體樣品在室溫下的透過(guò)率Fig. 2 Transmission spectra of cerium-doped LYSO crystal

8、 at room temperature在波長(zhǎng)200nm到380nm之間可以看出LYSO混晶的三個(gè)吸收帶，對(duì)應(yīng)的吸收峰分別是：263nm、295nm和358nm，且強(qiáng)度依次增強(qiáng)。這與LSO晶體中的吸收帶位置相似7。由于失去3個(gè)電子的Ce3+的電子構(gòu)型是Xe4f1，激發(fā)態(tài)5d1能級(jí)在晶體場(chǎng)的作用下可分裂成多個(gè)分量，這樣4f15d1收帶。AbsorptionWavelength /nm圖 3 室溫下LYSO的吸收邊（1.0mm）Fig. 3 Absorbance edge of cerium doped LYSO and LSO samples, 1.0mm thick.圖3所示，在室溫下，同一厚

9、度的LYSO晶體相對(duì)于LSO晶體的吸收邊向短波方向偏移約格位，當(dāng)Ce3離子占據(jù)Lu3離子的格位時(shí)，必然導(dǎo)致較大的晶格畸變。由于Y3離子半徑比Lu3離子大，更接近于Ce3離子的半徑，用Y部分取代Lu，有利于Ce3離子進(jìn)入格位。從表1中Ce3離子在LYSO混晶中的分凝系數(shù)要比它在LSO晶體中的大，進(jìn)一步驗(yàn)證用Y部分取代同時(shí)也減小了Ce3離子周?chē)木Ц窕?，使得Ce-OLu后， Ce3離子更易進(jìn)入晶體中的格位，離子中心距離相應(yīng)變大，相應(yīng)地減弱了Ce3+離子周?chē)木w場(chǎng)。這樣激發(fā)態(tài)5d1能級(jí)因較弱的晶體場(chǎng)的作用下分裂多個(gè)分量的劈裂幅度變小，激發(fā)態(tài)5d1的最低能級(jí)分量與基態(tài)4f1態(tài)的能級(jí)間距變大，導(dǎo)致吸

10、收邊藍(lán)移。用358nm為激發(fā)波長(zhǎng)得出LYSO晶體的發(fā)射光譜如圖4所示。LYSO晶體發(fā)射光譜與LSO晶體發(fā)射光譜形狀相似，體現(xiàn)明顯的雙峰特征，并呈不對(duì)稱(chēng)的帶狀分布，經(jīng)過(guò)Gaussian多峰值擬合，帶狀譜可由395nm、418nm和435nm三個(gè)發(fā)射峰疊加而成的。 80Wavelength /nm圖4 室溫下Gaussian多峰值擬合358nm 激發(fā)的LYSO的發(fā)射譜Fig. 4 Emission spectra of LYSO crystal excited at 358nm with Gaussian fits這是由于Ce3+離子的4f1基態(tài)在自旋軌道偶合作用下，分裂成兩個(gè)能級(jí)2F5/2和2F

11、7/2。這樣電偶極允許的從激發(fā)態(tài)5d1能級(jí)的最低晶體場(chǎng)分量向兩個(gè)能級(jí)的交叉組態(tài)躍遷，便導(dǎo)致了Ce3+離子的發(fā)射具有典型的雙峰形態(tài)17?？臻g群結(jié)構(gòu)為C2/c的Re2SiO5晶體中，稀土陽(yáng)離子占據(jù)兩個(gè)不同結(jié)晶位置，它們的氧配位數(shù)分別為6和718 ，當(dāng)其被Ce3+離子取代形成Ce1格位和Ce2格位。圖中的雙峰峰值395nm和418nm，與Ce1格位有關(guān)，并且前者的發(fā)光強(qiáng)度明顯高于后者。而435nm發(fā)光峰歸屬于Ce2發(fā)光的特性19，使得帶譜右側(cè)緩慢地向長(zhǎng)波方向延伸，而左側(cè)卻呈陡峻。在熒光402nm的激發(fā)下，可以得到LYSO晶體的激發(fā)光譜，如圖5所示?？梢钥吹饺齻€(gè)明顯的激發(fā)波長(zhǎng)，它們分別是263 nm、

12、296 nm和359nm，其中359nm強(qiáng)度最大，263nm13011305 無(wú) 機(jī) 材 料 學(xué) 報(bào) 20卷 最小。對(duì)應(yīng)前面透射光譜中的三個(gè)強(qiáng)吸收峰，我們可知這也是Ce3+離子4f15d1吸收躍遷的結(jié)果。 6050359100240280296320360Wavelength /nm圖5 室溫下LYSO晶體的激發(fā)譜Fig. 5 Excition spectra of LYSO crystal4 結(jié)論雙峰峰值395nm和418nm，這與Ce1的發(fā)射譜跟LSO晶體一樣存在Ce3+離子典型的雙峰特征，發(fā)光中心有關(guān)，而435nm的發(fā)光峰歸屬Ce2發(fā)光中心。參考文獻(xiàn)1 周娟，華王祥，等 (ZHOU Ju

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