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高性能X射线探测闪烁晶体研究新进展

2022.4.26

　　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 nGyair/s（低于X射线医学诊断所需的5.5 μGyair/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ZL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 nGyair/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ZL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。

x射线探测成像

上海硅酸盐研究所

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