闪烁晶体锗酸铋发光光谱的研究进展

１　引言

锗酸铋是一种具有闪烁性能的人工合

成单晶，目前多指Ｂｉ

４Ｇｅ

３

Ｏ１

２

晶体，简称

ＢＧＯ。ＢＧＯ最先是由瑞士ＲＣＡ公司的Ｎｉｔｓｃｂｅ于１９６５年合成的　［１］，１９７３年Ｗｅｂｅｒ和Ｍｏｃｈｍａｍｐ第一次发现了ＢＧＯ的闪烁性能［２］，Ｗｅｂｅｒ等人的研究表明ＢＧＯ晶体是一种性能优良的闪烁晶体，从而点燃了人们对ＢＧＯ晶体的研究热情。

２晶体结构和闪烁性能

ＢＧＯ晶体属于立方晶系，　闪铋矿结构，其晶胞常数为１．０５　ｎｍ。其晶胞是由ＧｅＯ

４

－４四面体和Ｂｉ３＋组成的，　单位晶胞内包含４个

Ｂｉ

４Ｇｅ

３

Ｏ

１２

分子。Ｂｉ３＋离子处于六个ＧｅＯ

４

－

４四面体的空隙中，每个ＧｅＯ

４

－４四面体贡献一个Ｏ组成Ｂｉ３＋离子六配位氧的畸变八面体。

ＢＧＯ晶体密度大、熔点低、没有解

理面、易于生长。在物理方面，它具有

良好的光学性能。机械性能也很优异，比

如机械强度较高，硬度为５。压电性能良

好，光电转换效率高，热学性能稳定。在

化学性能方面，ＢＧＯ晶体不易潮解，虽溶

于盐酸或硝酸但不溶于水或有机溶剂。这

些特点使它非常适合做闪烁晶体［３］。和其他

闪烁晶体相比，其能量分辨率好，衰减时

间最短，辐照长度也是最小的［４］。ＢＧＯ晶

体发射光谱的中心位置在４８０ｎｍ，与探测

器的光谱相应匹配，再加上其无自然双折

射率、无旋光性的光学特点，使之更加接

近理想闪烁晶体。

３　稀土掺杂ＢＧＯ晶体的发光研究

３．１热释光光谱研究

Ｓ　Ｇ　Ｒａｙｍｏｎｄ［５］对掺杂稀土元素的ＢＧＯ

晶体的低温光谱进行了研究（包括

Ｄｙ

２

Ｏ

３

、Ｓｍ

２

Ｏ

３

、Ｅｒ

２

Ｏ

３

、Ｅｕ

２

Ｏ

３

、

Ｔｂ

２

Ｏ

３

、ＨＯ

２

Ｏ

３

、Ｔｍ

２

Ｏ

３

掺杂的ＢＧＯ晶

体），并分析了各发光峰可能对应的能级

跃迁。

Ｓｏ　Ｚａｌｄｏ和Ｍｏｙａ［６］对掺杂ＢＧＯ的热释

光光谱做出解释，认为较宽的热发光波段

可能与氧原子格点的空穴有关。在低温

下，紫外线辐照可产生大量空穴并释放电

子，空穴随着温度的上升而变得不稳定，

而电子可以被某些Ｂｉ３＋离子捕获，从而产生

Ｂｉ２＋。随温度的升高，空穴既可以再次被

氧离子晶格所捕获，又可与Ｂｉ２＋再次结合，

产生激发态的Ｂｉ３＋离子，并且发光。

３．２　阴极发光光谱研究

Ｒ．　Ｋｉｂａｒａ［７］等人对ＢＧＯ晶体在温度为

３００Ｋ和４０Ｋ的阴极发光光谱进行了研究。

未掺杂的ＢＧＯ晶体发光中心波长为

４９０ｎｍ，掺杂了Ｎｄ和Ｅｕ的ＢＧＯ晶体峰值

在４９０ｎｍ，５２０ｎｍ，５３８ｎｍ，并且４０Ｋ时

发光峰更为锐利。Ｒ．　Ｋｉｂａｒａ等人的实验证

明稀土离子可以提供更为有效的辐射衰变方

式。

３．３　荧光光谱研究

Ｔ．　Ｔｓｕｂｏｉ［８］等人对Ｅｕ３＋掺杂的ＢＧＯ晶

体的低温荧光光谱进行了研究。发现温度

在１６Ｋ时，在３９４ｎｍ和４６４ｎｍ出现很强的

吸收峰，另外还观察到一些弱的吸收峰。

当温度从１６Ｋ上升到室温２９６Ｋ时，所有吸

收谱线都有所左移，如５７９．４８ｎｍ上升到

５７９．２１ｎｍ。在１０Ｋ下使用５７９．６９ｎｍ的光进

行激发，可以得到了一系列激发谱线。

Ｗｅｉ［９］等人在常温下对掺杂Ｅｕ的ＢＧＯ晶体

的光谱进行了研究，同样观察到了４６２ｎｍ

和３９４ｎｍ的两个强吸收峰。

４　发展前景

４．１　合成ＢＧＯ单晶纤维

近年来，纤维因其具有广泛的应用而

成为研究焦点，但由于受限于尚不成熟的

纤维单晶生长技术，纤维单晶的应用还有

待推广。据文献报道，Ｈ．　Ｆａｒｈｉ［１０］等人已

经成功合成了ＢＧＯ单晶纤维，且其性能优

异，具有很好的应用前景。

４．２　增强ＢＧＯ晶体的吸收率

提高ＢＧＯ晶体对Ｘ射线、γ射线的吸

收能力，可以使ＢＧＯ探测器更广泛地应用

于工业生产、辐射探测以及医疗等领域。

增强ＢＧＯ晶体对中子的敏感程度，通过与

其他材料共同制成的探测器，可以应用于

对核材料辐射的探测和控制，无论军事还

是民用都具有重要意义。

４．３　ＢＧＯ晶体的磁光特性的研究

ＢＧＯ晶体具有较强的磁光效应，其磁

光性能可以满足光纤电流传感器的需求，

另外，ＢＧＯ晶体还是性能优良的电光晶

体，使得电压与电流的传感可以结合为一

体。如果能够进一步利用同一块晶体来同

时测量高压线上的电流、电压和电功率，

闪烁晶体锗酸铋发光光谱的研究进展张昊１，２　吴星艳１，２　王亚芳１，２

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８９７２．２０１０．１９．０１３

基金项目：中国地质大学（北京）本科生创新实验基金项目