稀土离子掺杂KCaX3(X=Cl,Br)卤化物闪烁晶体的生长与发光性能研究

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近年来,复合卤化物晶体得到了人们的广泛研究,作为一类新型发光材料,主要被运用于医疗、工业、安检、地质及核物理等领域,具有十分广阔的发展前景。本论文以低廉的原料KX、Ca X2(X=Cl,Br)一定比例混合作为基质,通过掺杂稀土离子Eu2+、Ce3+、Pr3+,利用坩埚下降法生长出了6种复合卤化物单晶。针对晶体质量缺陷进行工艺改进并测试了晶体的发光和闪烁性能。本论文主要开展了以下两个方面的研究工作:1、KCa Cl3:Eu2+,Ce3+,Pr3+闪烁晶体生长及发光性能研究高温固相合成法制备出了KCa Cl3多晶并通过坩埚下降法生长出晶体,对坩埚粘壁现象进行了分析并针对前期所获KCa Cl3:Eu晶体质量缺陷,进行了部分工艺参数调整,获得了透明无开裂的晶体。紫外光和X射线激发下,KCa Cl3:Eu晶体在432 nm有一个尖锐的发射峰,这是由Eu2+的4f~65d~1→4f~7跃迁所导致,并且随着掺杂离子Eu2+浓度的提高,晶体发射峰的强度不断增大,发射峰位置红移,光致衰减时间均在1~10μs之间。在330 nm波长激发下,KCa Cl3:Ce晶体有两个位于358nm和378 nm的发射峰,对应于Ce3+离子的5d1→~2F5/2和5d1→~2F7/2发射跃迁,且随着Ce3+离子掺杂浓度的增加,发射峰强明显增大,X射线激发下也具有同样规律,衰减时间在30 ns左右。450 nm激发波长下,可以观察到KCa Cl3:Pr晶体在496、535、606、625、652、688和736 nm附近的Pr3+离子的特征发射波段,分别对应于~3P0-~3H4、~3P0-~3H5、~1D2-~3H4、~3P0-~3H6、~3P0-~3F2、~3P0-~3F3和~3P0-~3F4的电子跃迁。X射线激发发射光谱中可以观察到有五个明显的发射峰位,分别对应~3P0-~3H4(485 nm)、~3P0-~3H5(524nm)、~3P0-~3H6(616 nm)、~3P0-~3F2(641 nm)和~3P0-~3H4(726 nm)的电子跃迁,晶体的衰减时间为1.74μs。2、KCa Br3:Eu2+,Ce3+,Pr3+闪烁晶体生长及发光性能研究高温固相合成法制备出了KCa Br3多晶,通过热分析测试发现多晶料在247℃有一相变点,通过坩埚下降法生长出了半透明的晶体。在450 nm监测波长下,可以观察到KCa Br3:1%Eu晶体在200~420 nm范围内宽的激发带,使用365 nm波长和X射线激发,都会在450 nm处产生一个尖锐的发射峰,晶体的平均衰减时间为0.82?s,该晶体具有快衰减特性。在365 nm激发波长下,KCa Br3:1%Ce晶体发射峰位于408 nm和387 nm处,X射线激发下除Ce3+的特征发射峰外,还伴有294 nm和305 nm处小的发射峰,可能来自于晶体的本征发光,晶体衰减时间分别为3.82ns。在450 nm激发波长下,可以观察到KCa Br3:1%Pr晶体500、537、630、655、692和741 nm附近的Pr3+离子的特征发射波段,分别对应于~3P0-~3H4、~3P0-~3H5、~3P0-~3H6、~3P0-~3F2、~3P0-~3F3和~3P0-~3F4的电子跃迁。X射线激发发射光谱中可以观察到有四个明显的发射峰位,分别对应~3P0-~3H4(493 nm)、~3P0-~3H5(534 nm)、~3P0-~3H6(620 nm)和~3P0-~3F2(647 nm)的电子跃迁,晶体衰减时间为1.82μs。
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