高性能X射線探測閃爍晶體研究新進展

　　閃爍晶體作為輻射探測器的核心材料，廣泛應用于高端醫學影像、高能物理等領域。為滿足新一代X射線探測成像對靈敏度和成像質量的要求，研發新型高光輸出、高空間分辨、快衰減閃爍材料已成為該領域的前沿研究方向之一。近年來，具有低維分子結構的新型非鉛基金屬鹵化物材料展現出優異的物理性質（高結構對稱性、高穩定性）和發光性能（高熒光量子效率、無自吸收），受到輻射探測材料領域學者的關注。

　　近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員吳云濤課題組與北京工業大學副研究員肖家文課題組合作，在前期研制的零維結構Cs3Cu2I5單晶基礎上【Physica Status Solidi RRL，14 (2020) 2000374；Advanced Optical Materials，9 (2021) 2100460】，提出In+摻雜提升載流子捕獲效率，獲得了高光輸出、高空間分辨X射線探測晶體材料。研究表明，In+摻雜形成了熒光量子效率達到88.4%的激子束縛態發光中心。進一步優化In+摻雜濃度發現，Cs3Cu2I5的穩態光產額可提升1.66倍，X射線檢測限優化至96 nGyair/s（低于X射線醫學診斷所需的5.5 μGyair/s）。基于In+摻雜Cs3Cu2I5單晶的X射線成像空間分辨率可達18 lp/mm，優于已報道的CsI:Tl基平板、全無機鈣鈦礦納米晶成像屏和熱激活延遲熒光有機閃爍屏的性能。相關成果以Highly resolved X-ray imaging enabled by In(I) doped perovskite-like Cs3Cu2I5 single crystal scintillator為題，發表在Advanced Optical Materials上，并申請中國發明ZL一項。

　　此外，吳云濤課題組利用低溫溶液法，制備出新型零維結構有機銅基鹵化物(Bmpip)2Cu2Br4和PPh4CuBr2閃爍晶體，在X射線輻照下分別表現出寬帶橙色和黃色發光。其中，(Bmpip)2Cu2Br4晶體的發光來源于缺陷束縛激子發光，具有高熒光量子效率（48.2%）和高激子結合能（0.56 eV）特性。該晶體擁有16,000 photons/MeV的高X射線穩態光產額、56 ns的快閃爍衰減時間，以及710 nGyair/s的低X射線檢測限。基于無毒、高輻照和空氣穩定性、快衰減以及良好的X射線檢測性能，(Bmpip)2Cu2Br4晶體被認為是有潛力的X射線探測閃爍體。相關成果以Lead-free zero-dimensional organic-copper(I) halides as stable and sensitive X-ray scintillators為題，發表在ACS Applied Materials & Interfaces上，并申請中國發明ZL一項。

　　研究工作得到國家自然科學基金、上海市“探索者計劃”項目、上海市科學技術委員會高新技術領域項目的支持。