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R1 在微結(jié)構(gòu)輻射探測(cè)材料研究中的應(yīng)用
閱讀：714 發(fā)布時(shí)間：2019-1-9
| ▌R1 在微結(jié)構(gòu)輻射探測(cè)材料研究中的應(yīng)用 對(duì)基于多孔氧化鋁光子晶體結(jié)構(gòu)的 LYSO 閃爍晶體的光致發(fā)光角度依賴光譜表征 LYSO 閃爍體 光提取效率 光子晶體 角分辨光譜 多孔氧化鋁 光致發(fā)光 【概述】同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院劉波教授及其團(tuán)隊(duì)，致力于閃爍發(fā)光材料與微納光子學(xué)的交叉研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng) 輻射探測(cè)發(fā)光材料 的性能突破。2017 年 5 月，其團(tuán)隊(duì)在 Nuclear Instruments & Methods in Physics Research 雜志上發(fā)表了一篇題為《Enhanced light extraction of LYSO scintillator by photonic crystal structures from a modified porous anodized aluminum oxide layer》的文章。
作者利用了微納光子學(xué)研究中常見(jiàn)的多孔氧化鋁（AAO）光子晶體結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)光提取效率的增強(qiáng)，并對(duì)這種光子晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改良設(shè)計(jì)，增加了高折射率的二氧化鈦保形沉積層（conformal deposition layer），使得波長(zhǎng)和角度相關(guān)的輻射強(qiáng)度獲得了 60% 的顯著增強(qiáng)（圖1）。該方法過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低廉，適用于輻射檢測(cè)領(lǐng)域的大面積應(yīng)用。 【樣品 & 測(cè)試】光提取效率是指閃爍體內(nèi)部產(chǎn)生的光子能夠離開(kāi)閃爍體的比率。通常無(wú)機(jī)閃爍體具有較高的折射率（n=1.8~2.2），晶體界面處的全內(nèi)反射是導(dǎo)致光提取效率降低的主要起因。在光提取過(guò)程中，當(dāng)入射光遇到光子結(jié)構(gòu)時(shí)，波矢量可以被分解成不同分量的諧波，滿足一定條件的諧波可以被輻射到空氣中。多孔 AAO 結(jié)構(gòu)可以被看作是一個(gè)復(fù)雜的周期陣列，實(shí)現(xiàn)閃爍晶體光提取效率的增強(qiáng)。
基于之前的研究，作者采用*優(yōu)的 AAO 結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，孔間距 A=450nm，孔直徑 D=350nm，層高 H=750nm。然后在 LYSO 閃爍體和 AAO 多孔性表面設(shè)計(jì)了高折射率的 TiO2(≈2.8) 和 Al2O3(≈1.6) 保形沉積層。作者設(shè)計(jì)了五個(gè)樣品，分別為：R1（LYSO）、A1（LYSO+AAO）、A2（LYSO+AAO+10nm Al2O3）、A3（LYSO+AAO+20nm Al2O3）、A4（LYSO+AAO+20nm TiO2）。文中對(duì)于樣品表面形貌及光致發(fā)光角度依賴光譜的表征是采用 SEM 技術(shù)及復(fù)享光學(xué) 角分辨光譜測(cè)量系統(tǒng) 來(lái)完成的。如 圖2 所示，角度相關(guān)輻射光譜曲線顯示了一個(gè)近似遵循余弦發(fā)射定律的 Lambertian 剖面。
圖3a 為樣品正常角度的發(fā)射光譜，插圖中顯示的為其他樣品相對(duì)于 R1 樣品的光譜增強(qiáng)，A(2~5) 樣品的增強(qiáng)率分別為 30%、34%、49% 和 60%。在正常方向上，A1 樣品在峰值波長(zhǎng)下的光提取效率增強(qiáng)約為 22%。在 Al2O3 保形沉積層的作用下，光提取效率增強(qiáng)達(dá) 27%（A2，10nm）和 38%（A3，20nm）。在 20nm 的 TiO2 保形沉積層的作用下，在峰值波長(zhǎng)上的光提取效率增強(qiáng)可達(dá) 62%。圖3c 表示波長(zhǎng)積分的發(fā)射光譜強(qiáng)度是發(fā)射角的函數(shù)。對(duì)于波長(zhǎng)和角度積分的輻射強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，A(2~5) 樣品的增強(qiáng)率分別為 30%、34%、49% 和 60%。圖3b 描述了閃爍體發(fā)光特性，即所有樣品正常方向的X射線激發(fā)發(fā)射光譜圖。
【總結(jié)】結(jié)果表明，多孔 AAO 表面上的高折射率 TiO2 保形沉積層在閃爍體的光提取效率增強(qiáng)方面具有至關(guān)重要的作用。晶格常數(shù)或平均孔間距決定了衍射耦合是否會(huì)發(fā)生，而折射率差異對(duì)耦合效率產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。由于 TiO2 保形沉積層相對(duì)于 AAO 層的折射率較高，較大的折射率差異能增加允許與入射光耦合的光學(xué)模態(tài)，從而提高了衍射效率，進(jìn)而使得波長(zhǎng)和角度相關(guān)的輻射強(qiáng)度獲得了 60% 的顯著增強(qiáng)。由復(fù)享光學(xué)提供的 R1角分辨光譜測(cè)試系統(tǒng)，在測(cè)量 LYSO 閃爍晶體的光致發(fā)光角度依賴光譜方面起到了重要的作用，為研究微結(jié)構(gòu)輻射探測(cè)材料的科研人員提供了有效的解決方案。▌ 【參考文獻(xiàn)】 ? Zhang, Juannan, et al. "Enhanced light extraction of LYSO scintillator by photonic crystal structures from a modified porous anodized aluminum oxide layer." Nuclear Instruments & Methods in Physics Research (2017). Link |
