近日，中國計量大學(xué)雷磊副研究員，徐時清教授與美國紐約州立大學(xué) Paras N. Prasad 教授合作，在卓越計劃高起點新刊 eLight 上發(fā)表了題為“Next Generation Lanthanide Doped Nanoscintillators and Photon Converters”的綜述文章。

1895 年，倫琴首次發(fā)現(xiàn)了 X 射線，為了探測這種不可見的高能射線，世界上第一種閃爍材料 CaWO? 于 1896 問世。經(jīng)過一個多世紀(jì)的發(fā)展，多種商用閃爍體，如 CsI:Tl、CWO、 BGO、CsI:Na 等晶體，成功應(yīng)用于醫(yī)療成像、行李安檢、高能物理、工業(yè)無損檢測以及天文觀測等重要科技領(lǐng)域。

盡管如此，無機塊狀閃爍體仍然存在諸多技術(shù)瓶頸，比如苛刻的制備工藝、不易加工以及閃爍光譜調(diào)控難等。相比而言，稀土摻雜氟化物納米晶具有諸多優(yōu)勢，比如簡易的濕化學(xué)制備方法、易制備柔性閃爍屏與可調(diào)控閃爍光譜等，有望成為下一代新型閃爍材料。

圖1：藝術(shù)效果圖：結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用

閃爍光譜的寬幅調(diào)控

由于稀土離子具有豐富的能級結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)從深紫外到紅外二區(qū)的閃爍發(fā)光（圖2）。以氟化物納米晶為基質(zhì)，通過改變摻雜稀土激活離子的種類即可實現(xiàn)閃爍光譜的寬幅調(diào)控。

圖2：三價稀土離子的部分躍遷

耀眼的超長余輝發(fā)光

在 X 射線激發(fā)下，稀土摻雜氟化物納米晶表現(xiàn)出很強的超長余輝發(fā)光，有望應(yīng)用于無源生物成像與光動力治療。其次，結(jié)合閃爍發(fā)光與余輝發(fā)光，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨三維成像；結(jié)合余輝發(fā)光與上轉(zhuǎn)換、下轉(zhuǎn)移，能夠?qū)崿F(xiàn)時間依賴的顏色演變。

基于核殼結(jié)構(gòu)的激發(fā)動力學(xué)調(diào)控

采用多層核殼結(jié)構(gòu)，在氟化物納米晶體系中能夠同時實現(xiàn)上轉(zhuǎn)換、下轉(zhuǎn)移、閃爍發(fā)光和余輝發(fā)光，它們的發(fā)光機制具有顯著的區(qū)別。通過改變激發(fā)條件（波長、功率與脈沖寬度等），能夠?qū)崿F(xiàn)稀土離子發(fā)光動力學(xué)過程的多模式調(diào)控（圖3）。

圖3：激發(fā)動力學(xué)調(diào)控示意圖

稀土摻雜氟化物納米晶閃爍體雖然展現(xiàn)出許多新穎的閃爍性能，但仍存在諸多需要解決的科學(xué)問題，比如如何通過剪裁納米晶微結(jié)構(gòu)提高光產(chǎn)額，如何針對不同的應(yīng)用場景實現(xiàn)余輝強度的調(diào)控，以及如何實現(xiàn)具有超短衰減壽命的高效閃爍發(fā)光等。

為了更好地促進(jìn)稀土摻雜氟化物納米晶閃爍體的發(fā)展，本文介紹了閃爍體的發(fā)展歷程與性能指標(biāo)，進(jìn)一步針對氟化物納米晶閃爍體，多角度描述了其優(yōu)點，闡明了稀土離子的閃爍發(fā)光與余輝發(fā)光機制，系統(tǒng)歸納了相關(guān)研究進(jìn)展，提出了當(dāng)前的挑戰(zhàn)與潛在可行的研究方向。

| 論文信息 |

Lei, L., Wang, Y., Kuzmin, A. et al. Next generation lanthanide doped nanoscintillators and photon converters. eLight 2, 17 (2022). 

https://elight.springeropen.com/articles/10.1186/s43593-022-00024-0

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