CuI晶体的生长与表征【开题报告】

开题报告

应用化学

CuI晶体的生长与表征

一、选题的背景与意义

闪烁晶体是由放射线激发产生高效发光的荧光晶体。晶体产生的荧光经光导管送至光电倍增管，将光信号转变为放大的电脉冲，通过电子仪器记录下来。近10 多年来，新发现的闪烁体数量猛增。在新型闪烁晶体的探索研究方面，欧洲核子研究中心的Crystal Clear Collaboration (CCC) 小组、美国劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley Nationallaboratory ,LBNL) 的Derenzo小组以及荷兰Delft 理工大学的vVan Eijik 小组等都做了大量出色的工作，令人瞩目。

近年来，随着核科学技术及相关技术的飞速发展，闪烁晶体的应用领域不断拓宽。与此同时，不同应用领域对闪烁晶体也提出了更高的要求，使闪烁晶体的研究和开发出现了前所未有的热潮。闪烁晶体主要用于核物理、高能物理、天体物理、地质勘探、石油测井、核医学成像、工业无损检查、港口安检等领域。与普通的塑料高分子、液体、液晶以及荧光粉等闪烁材料相比，闪烁晶体具有密度高、体积小、物化性能和闪烁性能优良等显著特点，使其在所有的闪烁材料中占据重要的地位（主要是无机闪烁晶体）。在闪烁晶体的开发和性能改进方面，俄国的Bogoroditsk 技术化工厂，中国的上海硅酸盐所和北京玻璃研究院，以及乌克兰的Amcrys H，美国的Bicron 和CTI，捷克的Crytur，日本的Hi2tachi等公司也做了大量出色的工作。在闪烁晶体界具有较高知名度。自20世纪80年代初，我国也先后成功地开发了多种闪烁晶体，如: Bi4Ge3O12 (BGO)，BaF2，CeF3，CsI∶Tl 以及PbWO4 (PWO)等，为国际高能物理实验装置以及核医学成像仪器(PET)提供了大量的晶体，在国际核探测器界，特别是高能物理实验领域享有盛誉。

离子液体（室温离子液体）（Room Temperature Ionic Liquids），是指在室温或接近

常温时呈液态，由有机阳离子与无机或有机阴离子组成的盐。又称低温熔盐、室温熔盐。与固态物质相比较，它是液态的；与传统的液态物质相比较，它又是离子的。

1914年P.walden等人报道了在室温下呈液态的有机盐类--硝酸乙基胺

([EtNH3]+[NO3]-)，这是关于离子液体的最早报道；但是对离子液体的研究却始于1951年，Wier和Hurley合成的氯化铝类离子液体。70年代以后，离子液体进入快速发展阶段。

离子液体具有很多独特的物理化学性质,如蒸汽压低、不挥发、不可燃、热容量大、离子导电率高、电化学窗口宽、物质溶解性好、萃取能力好、相稳定性好、热稳定性好、

水稳定性好、酸碱稳定性好等优点，使离子液体的研究和应用领域迅速扩展，而广泛应

用于有机合成，分离分析，电化学以及功能材料等领域。

二．研究的意义

新型闪烁晶体探索的主要目标是获得高密度、快衰减的晶体。过去人们研究的晶体几乎全部是绝缘体基质的，发现很少有闪烁晶体是亚纳秒( < 1 ns) 级衰减的。尽管在BaF2晶体(4. 88 g/ cm3) 中发现了亚纳秒(0. 6 ns) 的超快衰减，但是在闪烁光中占的比例不大，强度较弱。后来，人们发现一些宽带隙直接跃迁的半导体材料如ZnO(Ga)，CdS(In)，CuI，PbI2，Hg2I2等，能利用激子发射或边带发射，从而获得纳秒甚至皮秒级快发光，使得超快衰减的半导体基闪烁晶体成为闪烁晶体今后研究和开发的一个重要方向。

其中，γ晶相CuI（通常所指的CuI闪烁晶体）发光衰减时间仅为90皮秒，且没有慢成分，是目前人们所知的最快的无机闪烁晶体。CuI的光产额虽然比CsI(Tl)低。但在t<0.1ns 时间内发出的光子数却比CsI(Tl)晶体高40多倍。是一种有非常应用前景的超快闪烁晶体。碘化亚铜共有α、β、γ三种晶相，其中低温γ相的CuI具有超快的闪烁特性。它是在温度低于350℃合成的立方结构的p型半导体材料，具有3.leV的直接能隙。空间群为F-43m，属于立方晶系。

本课题旨在获得大尺寸的具有高质量品质的CuI晶体，并对其进行表征。一方面可

评估CuI单晶体的应用前景，促进CuI晶体的应用研究。另一方面，对开展宽带隙直接跃

迁的半导体型超快闪烁晶体的研究具有重要的意义。

三、研究的基本内容与拟解决的主要问题：

（一）研究内容：

本实验主要以卤代二烷基咪唑类离子液体为主要研究对象，遴选出对CuI具有较好

的的溶解性和结晶性能的溶剂体系。采用惰性气体保护—降温法，结合紫外-可见透过谱（Uv-Vis）分析、红外、热重与差热分析等方法，研究溶液生长状态，分析生长过程

中各粒子的动态变化及可能的生长机理。获得厘米尺寸高品质的CuI晶体，并通过DTA/TG/DSC对晶体进行表征。

（二）研究难点：

1. CuI在卤化烷基类离子液体中的生长及相关规律

根据离子液体的酸碱原理、络合原理、极化理论，研究和解决CuI在卤化二烷基类

咪唑类离子液体中的溶解性、结晶性、稳定性问题。揭示CuI在离子液体中溶解性、结

晶性等与离子液体的物化特性之间的规律性关系。

2. 半导体型CuI闪烁晶体的超快发光机理

通过CuI单晶的激发光谱，研究晶体中电子能级结构与能量转换规律。总结宽带隙直接跃迁的半导体型闪烁晶体的发光特性。结合能级结构和缺陷类型判断晶体超快衰减的发光机理。

四、研究的方法与技术路线：

（一）文献分析法

查阅相关文献。分析和整理国内外研究状况，为本题的研究提供借鉴。

（二）实验法

采用惰性气体保护--降温法生长CuI单晶体。使用DTA/TG/DSC分析CuI晶体对光和热的稳定性，测量CuI晶体的透过、紫外激发发射、X射线激发发射、X射线激发衰减等光谱，分析单晶中的能量吸收、传递和跃迁规律。

五、研究的总体安排与进度：

第一阶段：收集并整理资料，确定选题

2010年6月—10月：通过协商确定毕业论文的指导老师，并确定论文选题。

1. 收集相关文献。

2.按照文献设计可行的实验方案。

第二阶段：做实验，同时完成开题报告

1. 2010年9月1日开始做实验

2. 12月31号之前完成开题报告资料。

3. 2011年1月6日进行开题报告。

第三阶段：写论文，准备答辩。

2011年4月- 5月测试晶体性能，完成论文及答辩任务。

六、主要参考文献：

[1] M. Maillard, S. Giorgio, M.P. Pileni, J. Phys. Chem. B 107 (2003) 2466.

[2] O.Guillot-Noel et al., Optical and scintillation properties of cerium-doped LaCl3,LuBr3

and LuCl3,J.Lumin., 1999(85):21-35

[3] Carel W.E. van Eijk, Inorganic-scintillator development, Nucl.Instr. Meth.

A,2001(460):1-14

[4] 沈定中，任国浩. 无机闪烁晶体的研究现状与应用前景(上)[J]. 上海化工，23：24-27

[5] 张玉龙、唐磊. 人工晶体——生长技术、性能与应用. 化学工业出版社, 171