上海硅酸盐所等在高性能X射线探测闪烁晶体研究中取得进展

闪烁晶体作为辐射探测器的核心材料，广泛应用于高端医学影像、高能物理等领域。为满足新一代X射线探测成像对灵敏度和成像质量的要求，研发新型高光输出、高空间分辨、快衰减闪烁材料已成为该领域的前沿研究方向之一。近年来，具有低维分子结构的新型非铅基金属卤化物材料展现出优异的物理性质（高结构对称性、高稳定性）和发光性能（高荧光量子效率、无自吸收），受到辐射探测材料领域学者的关注。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员吴云涛课题组与北京工业大学副研究员肖家文课题组合作，在前期研制的零维结构Cs₃Cu₂I₅单晶基础上【Physica Status Solidi RRL，14 (2020) 2000374；Advanced Optical Materials，9 (2021) 2100460】，提出In⁺掺杂提升载流子捕获效率，获得了高光输出、高空间分辨X射线探测晶体材料。研究表明，In⁺掺杂形成了荧光量子效率达到88.4%的激子束缚态发光中心。进一步优化In⁺掺杂浓度发现，Cs₃Cu₂I₅的稳态光产额可提升1.66倍，X射线检测限优化至96 nGy_air/s（低于X射线医学诊断所需的5.5 μGy_air/s）。基于In⁺掺杂Cs₃Cu₂I₅单晶的X射线成像空间分辨率可达18 lp/mm，优于已报道的CsI:Tl基平板、全无机钙钛矿纳米晶成像屏和热激活延迟荧光有机闪烁屏的性能。相关成果以Highly resolved X-ray imaging enabled by In(I) doped perovskite-like Cs₃Cu₂I₅ single crystal scintillator为题，发表在Advanced Optical Materials上，并申请中国发明专利一项。

此外，吴云涛课题组利用低温溶液法，制备出新型零维结构有机铜基卤化物(Bmpip)₂Cu₂Br₄和PPh₄CuBr₂闪烁晶体，在X射线辐照下分别表现出宽带橙色和黄色发光。其中，(Bmpip)₂Cu₂Br₄晶体的发光来源于缺陷束缚激子发光，具有高荧光量子效率（48.2%）和高激子结合能（0.56 eV）特性。该晶体拥有16,000 photons/MeV的高X射线稳态光产额、56 ns的快闪烁衰减时间，以及710 nGy_air/s的低X射线检测限。基于无毒、高辐照和空气稳定性、快衰减以及良好的X射线检测性能，(Bmpip)₂Cu₂Br₄晶体被认为是有潜力的X射线探测闪烁体。相关成果以Lead-free zero-dimensional organic-copper(I) halides as stable and sensitive X-ray scintillators为题，发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，并申请中国发明专利一项。

研究工作得到国家自然科学基金、上海市“探索者计划”项目、上海市科学技术委员会高新技术领域项目的支持。

论文链接：1、2

Cs₃Cu₂I₅:In晶体闪烁性能：a、X射线激发发射光谱；b、¹³⁷Cs 伽马能谱；c、X射线和伽马射线激发下光产额与In浓度的关系；d、X射线激发的余辉曲线；e、二维热释光谱；f、闪烁衰减曲线；g、闪烁衰减快慢分量、占比与In浓度之间的关系；h、不同X射线辐照剂量率下的响应信噪比

Cs₃Cu₂I₅:In 晶体X射线成像性能：a、X射线成像系统原理示意图；b-c、胶囊壳内的弹簧和电子元器件照片及使用未掺杂和In掺杂Cs₃Cu₂I₅单晶作为闪烁屏的X射线成像图；d、标准X射线成像测试板；e、标准测试板基于未掺杂和In掺杂Cs₃Cu₂I₅单晶的X射线成像图

(Bmpip)₂Cu₂Br₄和PPh₄CuBr₂晶体的物相性质：（a）(Bmpip)₂Cu₂Br₄和（b）PPh₄CuBr₂晶体照片；（c）Bmpip⁺和Cu₂Br₄^2-基元，以及(Bmpip)₂Cu₂Br₄晶体结构；（d）PPh₄⁺和CuBr₂^–基元，以及PPh₄CuBr₂晶体结构；（e）(Bmpip)₂Cu₂Br₄和（f）PPh₄CuBr₂粉末X射线衍射图谱

(Bmpip)₂Cu₂Br₄和PPh₄CuBr₂晶体的X射线探测性能：（a）X射线激发发射谱；（b）(Bmpip)₂Cu₂Br₄的闪烁衰减曲线；（c）PPh₄CuBr₂的闪烁衰减曲线；（d）与其他代表性闪烁晶体的品质因子对比；（e）不同X射线辐照剂量率下的响应信噪比；（f）X射线激发的余辉曲线