La(2-x)GdxHf2O7:RE新型闪烁透明陶瓷的晶体结构和闪烁性能研究

基于铪酸盐属于立方钙钛矿结构，且具有高密度、衰减快、高Z值、高的射线阻止本领和较高的光输出等优点，本项目以La(2-x)GdxHf2O7:RE体系为研究对象，采用溶胶-凝胶与燃烧合成相结合的方法合成La(2-x)GdxHf2O7:RE粉体，然后采用真空或氢气气氛烧结结合热等静压后处理技术制备高光学质量的透明陶瓷；采用X射线精细结构分析手段，系统研究RE离子在La(2-x)GdxHf2O7基质中的取代格位和Gd离子含量对相组成和晶体结构的影响规律；同时开发该体系透明陶瓷的闪烁性能并揭示晶体结构的变化与闪烁机制之间的依存规律。通过本项目的研究，有望建立新型La(2-x)GdxHf2O7:RE闪烁陶瓷的制备工艺，揭示该陶瓷材料的制备工艺-微观结构-闪烁性能之间的相互关系，为新型闪烁陶瓷的开发奠定基础。

立方结构La2-xGdxZr2O7/La2-xGdxHf2O7体系透明陶瓷是一类新型的A2B2O7陶瓷材料，具有固溶范围宽、折射率高、有效原子序数大和密度高等优势，在光学成像、闪烁发光等领域具有潜在的应用价值。本课题采用一种快速的粉体制备方法——溶胶凝胶燃烧法合成La2-xGdxZr2O7/La2-xGdxHf2O7粉体，通过工艺优化在相对温和的条件下合成出分散均匀、粒径在纳米级的高烧结活性粉体。粉体经成型和真空烧结，最终获得了高光学质量的La2-xGdxZr2O7/La2-xGdxHf2O7透明陶瓷。在发光方面，系统研究了稀土离子掺杂两体系材料的发光规律，对发光机制和影响因素进行了讨论。.首先制备出高致密高透过率La2-xGdxZr2O7和La2-xGdxHf2O7体系透明陶瓷。两体系陶瓷均为立方烧绿石结构。随Gd含量增加，陶瓷密度均线性增加（分别为6.01 ~ 6.72 g/cm3和7.91 ~ 8.88 g/cm3）。两体系陶瓷的折射率分别为2.08和2.05，远高于普通玻璃（n ≈ 1.5），有望在高折射率相机镜头上获得应用。由于La2-xGdxHf2O7体系透明陶瓷具有更高的密度和有效原子序数，如作为闪烁体基质材料，可获得更高的射线阻止能力。另外，两体系透明陶瓷的红外截止边在8.5 μm左右，有望作为新型的中红外透明材料。.在La2-xGdxZr2O7/La2-xGdxHf2O7基体中掺入Eu3+，研究其发光性能。随Eu3+掺杂量增加，发光一直增强，在10 at%时仍未猝灭。另外，Eu3+可作为探针对晶体结构对称性进行判断，如Eu3+掺杂La2-xGdxHf2O7粉体的晶格对称性相对陶瓷要差，发光最强峰位置在610 nm附近，而相应陶瓷的最强峰位于585 nm。随Gd含量的增加，Eu3+掺杂La2-xGdxZr2O7陶瓷的晶格对称性逐渐下降。Gd含量的改变还会引起材料能级结构的变化，从而改变稀土离子的发光。Eu3+在两种基体中的发光规律很接近，也说明将Zr换为Hf后，材料的晶体结构、发光性能等受到的影响很小。.通过本研究工作，建立了La2-xGdxZr2O7/La2-xGdxHf2O7:RE体系透明陶瓷的制备工艺，并揭示了陶瓷组成-透明性能-发光性能等的关系，为该体系透明陶瓷的进一步应用提供了研究基础。