掺铕稀土氧化物闪烁体的余辉形成机理及抑制研究

Study on afterglow mechanism and suppression has been an important work in the field of scintillation detection. Many scintillators with outstanding performance are hampered by the afterglow problem. Europium doped rare earth oxide RE2O3:Eu is one typical this kind scintillator with abundant carrier traps. Its afterglow intensity is also proportional to the luminescence ratio of the Eu3+ dipole transition located at the S6 centrosymmetric site. Combined with first principle calculation, this project intends to take the RE2O3:Eu single crystal as research carrier, take the carrier trap and local structure as research target, take the XRD, afterglow tester, thermoluminescence and other analytical techniques as research tools, in order to make clear the trap state in RE2O3 host and the afterglow formation mechanism, illustrating the inner relationship between energy transfer, local structure and Eu(S6) luminescence ratio. With the support of combinational method, through optimizing the component and preparation procedure, the afterglow can be suppressed by decrease of trap and Eu(S6) luminescence. This project is helpful in promotion of the development of europium doped RE2O3 materials, enriching the design theory of rare earth sesquioxide optical functional materials.

闪烁体余辉的形成机理和抑制研究是闪烁探测领域非常重要的一个研究工作，很多性能优良的闪烁体的发展都受制于其具有较强的余辉。掺铕稀土倍半氧化物RE2O3:Eu(RE=Lu, Y, Sc)是其中一类非常有代表性的闪烁体，该体系中有丰富的载流子陷阱，余辉强度也与中心对称格位的铕离子Eu(S6)电偶极跃迁发光比例成正比。本项目拟以RE2O3:Eu单晶为研究载体，以材料的载流子陷阱和局域结构为主要研究对象，以XRD、余辉测试仪、热释光谱仪等分析技术为手段，结合第一性原理计算，厘清材料中载流子陷阱状态，揭示RE2O3:Eu的余辉形成机理；阐明能量传递效率、局域结构等影响因素与Eu(S6)发光比例的内在联系。借助组合方法，通过优化制备条件和组分，消除或减少晶体的载流子陷阱，降低Eu(S6)发光比例，实现余辉的抑制。本项目的开展将有助于推动掺铕稀土倍半氧化物材料的发展，丰富闪烁体的余辉形成机理和抑制理论。

闪烁体余辉的形成机理和抑制研究是闪烁探测领域非常重要的一个研究工作，很多性能优良的闪烁体的发展都受制于其具有较强的余辉。本项目以非常有代表性的掺铕稀土倍半氧化物RE2O3:Eu(RE=Lu, Y, Sc)闪烁体为研究对象，结合第一性原理揭示RE2O3:Eu的余辉形成机理，并考察材料中载流子陷阱状态、能量传递效率、局域结构等影响因素对余辉水平的抑制效果。（1）在余辉的形成机理方面，采用光学浮区法制备了RE2O3:1%Eu晶体，测试了其闪烁、缺陷状态和余辉水平，并以密度泛函理论（DFT）为基础，利用共线自旋极化准粒子GW近似，计算了纯RE2O3和RE2O3:Eu和的电子结构，稀土倍半氧化物的电子结构，结果显示，Sc2O3:Eu体系的电子陷阱态密度在三个体系中最低，而Lu2O3:Eu和Y2O3:Eu的接近，提出RE2O3(RE=Lu, Y, Sc)的余辉来自于其本征的导带下方的微弱电子态陷阱，并通过分析4f轨道自旋分量和电子陷阱的相对位置，从掺杂体系的热力学角度解释了三种材料的余辉行为差异，并分析了热释光过程的机理。（2）考察了Eu(S6)→Eu(C2)能量传递效率、氧空位、非辐射跃迁中心及晶格配位环境对Lu2O3:Eu余辉水平的影响，研究发现，通过增加Eu浓度，可以显著增加Eu(S6)→Eu(C2)能量传递效率，并有效降低Lu2O3:Eu余辉水平，而非辐射跃迁中心Pr3+的加入作为竞争性空穴陷阱，可以有效抑制陷阱深度低于1.0eV的陷阱，但在显著降低余辉的同时，也牺牲了发光效率，综合考虑Pr3+最优掺杂浓度为0.2at%；Sc2O3加入，形成基质(Lu1-xScx)2O3混晶，反而会增加余辉水平，在Sc达到50%时，余辉水平最高，此后随着Sc比例的增加，余辉水平逐渐降低，该现象可以通过晶格畸变程度来解释。（3）考察了制备气氛对Lu2O3:Eu余辉水平的影响，发现在弱还原气氛下生长的Lu2O3:8%Eu单晶呈现出最低的余辉水平，提出还原气氛减少了样品中间隙氧原子缺陷的机理。