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▌R1 在微结构辐射探测材料研究中的应用
对基于多孔氧化铝光子晶体结构的 LYSO 闪烁晶体的光致发光角度依赖光谱表征


   LYSO 闪烁体      光提取效率      光子晶体      角分辨光谱      多孔氧化铝      光致发光   

【概述】同济大学物理科学与工程学院刘波教授及其团队,致力于闪烁发光材料与微纳光子学的交叉研究,实现对传统 辐射探测发光材料 的性能突破。2017 年 5 月,其团队在 Nuclear Instruments & Methods in Physics Research 杂志上发表了一篇题为《Enhanced light extraction of LYSO scintillator by photonic crystal structures from a modified porous anodized aluminum oxide layer》的文章。
LYSO 闪烁体和多孔氧化铝光子晶体结构的 SEM 图及结构示意图
图1,LYSO 闪烁体和多孔氧化铝光子晶体结构的 SEM 图及结构示意图

作者利用了微纳光子学研究中常见的多孔氧化铝(AAO)光子晶体结构来实现光提取效率的增强,并对这种光子晶体结构进行了改良设计,增加了高折射率的二氧化钛保形沉积层(conformal deposition layer),使得波长和角度相关的辐射强度获得了 60% 的显著增强(图1)。该方法过程简单、成本低廉,适用于辐射检测领域的大面积应用。
      
      【样品 & 测试】光提取效率是指闪烁体内部产生的光子能够离开闪烁体的比率。通常无机闪烁体具有较高的折射率(n=1.8~2.2),晶体界面处的全内反射是导致光提取效率降低的主要起因。在光提取过程中,当入射光遇到光子结构时,波矢量可以被分解成不同分量的谐波,满足一定条件的谐波可以被辐射到空气中。多孔 AAO 结构可以被看作是一个复杂的周期阵列,实现闪烁晶体光提取效率的增强。
样品光致发光角度依赖光谱
图2,样品光致发光角度依赖光谱

基于之前的研究,作者采用最优的 AAO 结构参数进行实验,孔间距 A=450nm,孔直径 D=350nm,层高 H=750nm。然后在 LYSO 闪烁体和 AAO 多孔性表面设计了高折射率的 TiO2(≈2.8) 和 Al2O3(≈1.6) 保形沉积层。作者设计了五个样品,分别为:R1(LYSO)、A1(LYSO+AAO)、A2(LYSO+AAO+10nm Al2O3)、A3(LYSO+AAO+20nm Al2O3)、A4(LYSO+AAO+20nm TiO2)。文中对于样品表面形貌及光致发光角度依赖光谱的表征是采用 SEM 技术及复享光学 角分辨光谱测量系统 来完成的。如 图2 所示,角度相关辐射光谱曲线显示了一个近似遵循余弦发射定律的 Lambertian 剖面。
      
样品发射光谱增强比率分析
图3,样品发射光谱增强比率分析

图3a 为样品正常角度的发射光谱,插图中显示的为其他样品相对于 R1 样品的光谱增强,A(2~5) 样品的增强率分别为 30%、34%、49% 和 60%。在正常方向上,A1 样品在峰值波长下的光提取效率增强约为 22%。在 Al2O3 保形沉积层的作用下,光提取效率增强达 27%(A2,10nm)和 38%(A3,20nm)。在 20nm 的 TiO2 保形沉积层的作用下,在峰值波长上的光提取效率增强可达 62%。图3c 表示波长积分的发射光谱强度是发射角的函数。对于波长和角度积分的辐射强度来说,A(2~5) 样品的增强率分别为 30%、34%、49% 和 60%。图3b 描述了闪烁体发光特性,即所有样品正常方向的X射线激发发射光谱图。
      
文章对复享光学角分辨光谱测量系统相关产品的标注
图4,文章对复享光学角分辨光谱测量系统相关产品的标注

【总结】结果表明,多孔 AAO 表面上的高折射率 TiO2 保形沉积层在闪烁体的光提取效率增强方面具有至关重要的作用。晶格常数或平均孔间距决定了衍射耦合是否会发生,而折射率差异对耦合效率产生强烈的影响。由于 TiO2 保形沉积层相对于 AAO 层的折射率较高,较大的折射率差异能增加允许与入射光耦合的光学模态,从而提高了衍射效率,进而使得波长和角度相关的辐射强度获得了 60% 的显著增强。由复享光学提供的 R1角分辨光谱测试系统,在测量 LYSO 闪烁晶体的光致发光角度依赖光谱方面起到了重要的作用,为研究微结构辐射探测材料的科研人员提供了有效的解决方案。
【参考文献】
       Zhang, Juannan, et al. "Enhanced light extraction of LYSO scintillator by photonic crystal structures from a modified porous anodized aluminum oxide layer." Nuclear Instruments & Methods in Physics Research (2017).  Link 
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