局域场效应增强氧化锌微纳结构闪烁体发光机理的研究

Due to its unique physical and chemical properties of an extremely large exciton binding energy of 60meV, high radiation resistance, short decay time, ZnO material have been developed as an important scintillator materials. Despite decades of research, the application of scintillator based on ZnO material is still limited by single crystal growth technology and doping problem induced relative poor light yield. In this project, the effect of local field effect on scintillation performance of ZnO micro-nano-structure material growth by hydrothermal method is systematically investigated. The detail information as follows: firstly, we will simulate the scintillation performance for different structures using GEANT 4 software; secondly, growth a high pure quality, low defect, with different metal doping ZnO material by using hydrothermal method; finally, we will systematically investigate the effect of local field effect between metal nanoparticles and ZnO micro-nano-material. Our goal is proposal a possible physical mechanism to explain the local field effect enhanced scintillation performance of ZnO material and also build a high light field and spatial resolution scintillator based on ZnO structures material.

ZnO作为一种重要的抗辐射性强、快速响应闪烁体材料，在国防、教育医疗等领域有着巨大的作用。目前传统的晶体材料生长技术和掺杂已经取得了一定阶段性的成果，然而如何进一步提高该闪烁体材料的光产额和空间分辨率成为材料、物理及核科学等多个交叉学科所面临的重要科学问题。为了进一步提高ZnO材料的闪烁特性，本项目将重点研究以下内容：使用GEANT 4软件模拟不同结构的ZnO微纳材料闪烁体探测性能，以获得高光提取率闪烁体材料形貌和尺寸信息；使用水热法生长出高纯度、低缺陷、不同金属掺杂以及掺杂浓度的ZnO微纳米结构材料；系统研究局域场效应对ZnO闪烁体探测性能的影响，研究其中的物理机制。通过对上述内容的研究，本项目旨在将局域场效应以及微纳米技术引入到闪烁体领域，以期制备低成本、高光产额、高空间分辨率闪烁体探测器。

高空间分辨率、衰减时间快的闪烁成像在核技术应用领域有着至关重要的作用，而其中闪烁光子在闪烁体内的散射则是导致空间分辨率降低的主要因素。本项目主要研究使用水溶液法制备大面积均匀的ZnO纳米柱结构闪烁体，该结构材料不仅可以将不可见的X射线转换成紫外可见光子，而且起到光导作用抑制闪烁光子在闪烁体材料内部的散射。我们的研究结果表面该材料在高剂量的照射后产生大量的缺陷，该缺陷可以增加辐射复合机率，表明ZnO微纳米结构材料具有较好的耐辐照性能。我们进一步的研究表明使用2μm厚的 ZnO纳米线薄膜，在30keVX射线照射后，使用普通CCD相机成功拍摄到分辨率达9.8lp/mmX射线成像。