LuAG:Ce闪烁陶瓷的二价离子掺杂改性机理和性能优化

The valence states and their variation of rare earth ions are always the important research contents in rare-earth chemistry and physics. It can be expected to obtain some new functional materials, using unequivalence ions substitution or charge compensation technology, in which the valence states of some ions are abnormal. The latest research results indicate that highest scintillation light yield of LuAG:Ce materials has been achieved by Mg2+ co-doping in LuAG:Ce,Mg ceramics, and the fast and effective luminescence role of Ce4+ ions in the scintillation mechanism are first presented. Based that achievements, LuAG:Ce scintillator ceramics with some Ce4+ ions will be fabricated by co-doping of different divalent ions in this project. The luminescence mechanism of Ce4+, and the relationship between Ce3+ and Ce4+, the luminescence effect of Ce4+ in different crystal field will be further studied. The effect of divalent ions on the electron structure of materials will be discussed deeply by first principles calculations, and thus obtain the source and key factors which determine the scintillation properties, which is significative in theory to design novel scintillators. The target of this project is to obtain one or two novel scintillator materials with Ce3+ and Ce4+ two kinds of fast luminescence centers.

稀土价态及其变化，是稀土化学与物理的重要研究内容。利用不等价取代或电荷补偿，合成一些异常价态化合物，有可能获得某些新的功能材料。最新研究结果表明:以二价金属离子共掺效应设计制备的LuAG:Ce,Mg闪烁陶瓷，利用Ce4+ 离子的叠加作用,其光产额优于最好相应单晶，为文献报道最高值。这一结果首次揭示了Ce4+在石榴石体系闪烁发光中的积极作用。本项目拟在以上基础上，利用二价离子共掺技术制备含有部分Ce4+离子的LuAG:Ce闪烁体，深入研究Ce4+离子的发光机理，揭示其与Ce3+ 发光中心的相互作用规律，明确Ce4+ 离子在不同晶格场中的发光效应；同时利用第一性原理材料计算方法，计算二价离子掺杂对材料电子结构的影响，分析闪烁性能发生变化的来源和决定因素，为探索新型闪烁材料提供理论依据，制备出同时包含Ce3+ 和Ce4+ 两类发光中心的快发光材料， 最终获得1-2种具有自主知识产权的闪烁陶瓷。

LuAG:Ce闪烁体由于其高密度和有效原子序数是一种非常有前景的闪烁材料。LuAG:Ce陶瓷样品中仍存在大量的慢发光分量，其光产额不仅远低于理论值，与相应的LuAG:Ce单晶也存在着很大的差距。本项目深入研究了LuAG 基质中 Ce4+离子的发光性能，揭示了其与 Ce3+ 发光中心的相互作用规律，明确了 Ce4+ 离子在低价离子共掺的发光机理。通过第一性原理计算，获得了低价离子掺杂对材料电子结构的影响，阐明了闪烁性能发生变化的来源和决定因素。计算了Mg掺杂LuAG体系材料的电子结构。发现Mg虽然不能在禁带产生能级，但是可以引入一个小极化子O-心,并证实LuAG:Ce,Mg中空穴陷阱起源于O-心 。通过组分设计和退火制度优化设计，最终实现了对闪烁材料的结构设计与性能调控，在国际上获得了超过LuAG:Ce商用单晶的光产额报道，为其他掺 Ce 的氧化物闪烁体性能优化提供理论和实验依据。