真空紫外(VUV)光谱

纳米结构ZnO薄膜的UV激光发射
阈值240kwcm-2
ZnO纳米颗粒( 50nm)的UV激光发射
1000
Integrated Intensity (a.u.)
800
600
400
200
0 200 400 600 800 1000 1200
2
1400
Excitation Intensity (kW/cm )
Fig. 2 Emission spectra of CeF3 at low temperature (33-230K) with 365nm excitation.
25000
不 温度下CeF 3晶 体 光 激 发 同 发 的 谱
em=290nm,5K em=340nm,5K em=340nm,360K em=290nm,360K
BaF2 BaF2:Ce CeF3 PbWO4 Lu2SiO5:Ce
引言、
闪烁体的发展受 高能物理与核医学 发展的驱使
HEP闪烁体的基本要求:
1. 高密度 2. 高效率 ( >6g/cm3) ( >10ph/MeV)
3. 快衰减
4. 高辐照硬度 5. 低成本
( <100ns)
100
不同温度下CeF3晶体发光的激发谱
10
结果表明： 290nm中心-→340nm中心, Ce3+→ 受缺陷干扰的Ce3+ 的能量传递
1 0 50 100 150 200
Deacy Time (ns)
CeF3晶体发光(340nm)的衰减曲线(T=350K)
PWO在4-150eV的激发谱
(400nm发射)
60
360
390
420
450
480
510
296K
0 360 390 420 450 480 510
80 K
40
Wavelength (nm)
Wavelength (nm)
133 K
20
0 350 400 450 500 550 600
0 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600
Intensity(arb. units)
290nm 380nm
Intensity (arb. units)
300 175
0
100
200
Hale Waihona Puke Baidu300
115 71 7.8
Temperature(K)
Fig.2 Integrated intensities of 290 and 380 nm emission peaks at different temperatures
PWO发光 的 强温度猝灭(三个量级)
The temperature dependence of luminescence intensity at 430nm and 510nm excited by 82nm SR, the dash lines are fitting curves of the two components of blueband.
30
133k,29.6ns 79K,27.6ns 187k,30.1ns 295k,30.5ns
241K
10000
30 79K,29.8ns 187K,26.5ns 25 133K,27.0ns 295K,25.5ns 241K,26.9ns
25
187K
Intensity (a.u.)
600 500

Several special structure of ZnO: (a)nanobelt, (b)tetrapod-like crystals, (c)nanorods and (d)nanowires
(a)
(b)
Two different models of light amplification for (a)random system. and (b)order system.
Intensity (a.u.)
0.06
170
0.04
132
364
0.02
296 264
0.00 120 150 180 210 240 270 300 330 360
Wavelength (nm)
LSO:Ce发光的激发谱
UV区有温度猝灭，VUV区无温度猝灭
120
120
Intensity (a.u.)
Emission spectra of Ce3+ in the GSO:Ce under excitation with 189nm above RT: a)372K, b)453K
0.10
0.08
Em=426nm single crystal 296K Em=432nm single crystal 80K Em=436nm powder 296K Em=436nm powder 80K
主要进展：
1. 研究了BaF2型快发光的起源
2. 发现了CeF3闪烁体的级联能量传递 3. 提出了PbWO4绿光中心的新观点，可能是“WO42+Oi”（富氧），而不是“WO3+F”（缺氧） 4. GSO:Ce, LSO:Ce在VUV-UV激发下发光的温度效应
纳米ZnS:Mn----高量子效率,快发光衰减 ms 10ns
( >106rad) ( 2$/cm3)
BaF2用于超级超导对撞机SSC
New Scintillators for Nuclear Medicine
Scintillator YAlO3 :Ce (YAP) Gd2SiO5 :Ce (GSO) Lu2SiO5 :Ce (LSO) LuPO4 :Ce (LPO) Lu3Al 5O12:Ce (LuAG:Ce) Lu 3Al 5O12:Sc (LuAG:Sc) LuAlO3:Ce (LuAP) 8.34 9600 380 11/28 No 6.67 22 400 275 610 No 6.67 3 000/11 000 300/500 100 No 6.2 13 000 360 24 No 7.4 27 000 420 40 No 6.7 8 000/1 000 440 60/600 No Density (g/cm )
拟合结果
PbWO4发光中心 的 观点：
• 蓝带 （430nm带），WO42-, Pb2+, 束缚激子
• 绿带 （520nm带），“WO3+F”，“WO42-+Oi” • 红带 （610nm带），VO， Pb3+
“WO42-+Oi”绿光中心的主要依据：
实验
（发射光谱）
理论
（能隙计算）
微结构
（EXAFS）
3
Light Yield Ph/MeV 16 000
Emission Peak (nm) 350
Decay Time (ns) 30
Hygroscopic No
5.55
X射线闪烁体的主要特性
医用闪烁体的应用 • • • X-ray CT PET
计算机断层扫描（CT）的优点
CT的工作原理
正电子发射断层扫描（PET）
真空紫外(VUV)光谱
在发光材料中的应用
施朝淑
中国科学技术大学物理系 国家同步辐射实验室

VUV激发物理与固体能态研究
宽禁带半导体中受激发光（如ZnO）
宽禁带绝缘体的电子态（如CeF3、PbWO4、 BaFBr:Eu）
稀土离子的高激发态（GdLiF4:Eu） 内层芯电子的激发（BaF2型）
新型闪烁体研究进展
Powder!
ZnO薄膜的微观结构
六角形结构(nm) 晶面构成谐振腔
Lasing
直流溅射法制备ZnO薄膜的AFM图
ZnO薄膜发光
35
100
Intensity (a.u.)
404nm
30
Intensity (a.u.)
80 60 40 20 0 350 390nm (a) X8 400
(c) X1 523nm 395nm (b) X6 523nm
纳米ZnO紫外激光材料
国际前沿的新热点 极强的商业背景
1997, Science ”Will UV Lasers Beat the Blues”, 日本,香港 1998, PRL(Cao H.), 纳米份体中观察到 UV激光 1999, 在美国召开首届国际ZnO专题会 2001, Science等报导: 纳米线,带,棒 极强的自组装特性
20000
Intensity(a.u.)
15000
10000
5000
CeF3晶 体发光(340nm)的 衰减 曲 线 ,T=350K
0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
1000
Wavelength(A)
ex=61nm ex=190nm ex=270nm
Intensity(a.u.)
Intensity(arb. units)
400
500
600
Time (ns)
Time (ns)
单晶
微晶
VUV（178nm）激发下LSO:Ce发光衰减的温度依赖
CB
5d
ET 5d
VUV
UV
398 422
443 nm
4f Ce-I
4f Ce-II
VB
VUV和UV激发下发光过程的示意图
VUV激发——基质激发 + 载流子传输 + 发射
UV激发 ——发光中心直接激发 + 发射
20 10 0 250
151K
230K
300 350 400 450 500 550
450 500 550 600
Wavelength (nm)
Wavelength (nm)
Fig. 1 Emission spectra of CeF3 crystal under VUV excitation at 6K (a) and 454K (b).
工作原理
闪烁体特性
•发光机理
——— BaF2快发光的起源 ———CeF3发光中的能量损失通道
———PWO的发光中心与动力学特性
———GSO:Ce, LSO:Ce中的能量传递
70
33K
60 50 40 30
(b) 454K
Intensity (a.u.)
Intensity (a.u.)
77K
(a) 6K
300
400 500 Wavelength(nm)
600
E
ΔE A
Fig.1 Emission spectra of ZnO film at different temperature, λ ex=195nm
D K
Fig.3 Suggested structure of ZnO film
band
a
(b)
(k)
EXAFS
(a)
0
2
4
6
8
K(A )
-1
10
12
14
16
(a) Pb-O 配位层EXAFS 函数 (b) W-O 配位层EXAFS函数 点线：实验结果；实线：拟合结果
N Pb-O W-O 7.6 4.5
A R( )

2 (A )
2
2.60 1.79
0.0162 0.0018
Wavelength (nm)
Wavelength (nm)
单晶
微晶
VUV（178 nm）激发下LSO:Ce发光的温度依赖 （随温度升高，略有增强）。
1000
Decay time (ns)
40
14000
295K
Decay time (ns)
241k,32.4ns
35
900 800 700
35
12000
Intensity (a.u.)
20 50
100
150
200
250
300
8000
20
295K 241K 187K
400 300 200 100
T(K)
133K
6000
50
100
150
200
250
300
T (K)
79K
133K 79K
4000
2000
0
0
100
200
300
400
500
0
100
200
300
296 K
T=296K
100 422 80
200
200
160
100
180
398 443
Intensity (a.u.)
425
120
60
187 K
Intensity (a.u.)
80
160 140
80
398
458
40
20
187K 80K 133K
40
0
Intensity (a.u.)
120 100 80 60 40 20
(缩短5个量级),具有‘反常’特点(已被否定)
现研究的纳米材料: (1) 紫外激光: ZnO薄膜, ZnO颗粒(即其掺杂） (2)高效红光:Y2O3:Eu, Y2SiO5:Eu, Gd2SiO5:Eu (3)高效快闪烁体: Y2SiO5:Ce, Gd2SiO5:Ce
(降低生成温度,熔点 1600C , 2000C)
25 (a) X10 20 15 10
(b)
519nm 450 500 550 600
5 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Wavelength (nm)
Electron beam current ( A)
UV带源于激子发光(本征); 绿带源于缺陷
UV带随激发密度超线性增长 绿带是亚线性增长