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浙江师范大学郭海/浙江大学乔旭升等：双通道热增强能量传递策略提高玻璃闪烁的热稳定性

已有 847 次阅读 2025-12-18 10:53 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Li L, Chen J, He G, et al. Achieving anti-thermal-quenching in Tb³⁺-doped glass scintillators via dual-channel thermally enhanced energy transfer. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221220

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221220

ResearchGate：Achieving anti-thermal-quenching in Tb 3+ -doped glass scintillators via dual-channel thermally enhanced energy transfer

1、导读

针对高温X射线成像需求，本研究提出双通道热增强能量传递策略，以提升Tb³⁺掺杂玻璃闪烁体的热稳定性。该策略包含两方面：一是Ce³⁺向Tb³⁺的热增强能量传递；二是Ce³⁺引入深陷阱产生的热补偿效应。制备的玻璃透过率高，XEL强度是BGO晶体的365%，X射线成像分辨率达24 lp/mm。此外，最佳样品的XEL呈现反热猝灭特性（573 K时发光强度提升至303 K的168%）。结果表明，该材料在高温探测领域潜力巨大，双通道策略为开发高性能耐高温闪烁体提供了新思路。

2、研究背景

在辐射探测与X射线成像领域，石油勘探等特殊应用场景对闪烁体性能提出更严苛的要求：材料须在超200 ℃高温环境稳定运行，且能耐受高湿度侵蚀。然而，BGO、CsI:Tl等大多数现有商用闪烁体存在显著热猝灭发光——其发光强度会随温度攀升急剧衰减，因此研发兼具有高热稳定性与出色闪烁性能的新型闪烁体材料迫在眉睫。

本研究采用具有高透明度、低声子能量的氟氧化物玻璃基质，通过共掺Ce³⁺，实现从Ce³⁺到Tb³⁺的热增强能量传递，并利用Ce³⁺引入的陷阱，在升温时对Tb³⁺发光中心进行能量补偿。通过这一协同设计，我们不仅在室温下大幅提升了Tb³⁺的发光，更实现了能量传递效率随温度升高而增强的独特效果，从而有效补偿了由热振动引起的发光损失。我们所设计的具有反热猝灭发光的高性能Tb³⁺掺杂玻璃闪烁体在X射线激发下具有反热猝灭发光，在高温X射线成像和水下X射线成像时都表现出极佳的空间分辨率。

3、文章亮点

（1）提出了一种“双通道热增强能量传递”策略，以显著提升材料的热稳定性。

（2）X射线激发发光强度达到BGO的365%，表现出极佳的综合闪烁性能。

（3）Tb³⁺掺杂玻璃在高温X射线成像中的空间分辨率可达24 lp/mm。

（4）该玻璃闪烁体表现出反热猝灭发光，在573 K高温下，其XEL强度增至室温的168%。

4、研究结果及结论

如图1所示，在引入Ce³⁺和Tb³⁺之后，玻璃出现明显的相分离。而Ce³⁺和Tb³⁺的引入不改变玻璃结构。Raman光谱显示结果与FTIR结果一致，Tb³⁺掺杂的氟氧化物玻璃具有低声子能量环境，有利于Tb³⁺的发光。最佳样品在542 nm处的透过率达到86.6%，保证了闪烁过程中的有效光输出。

图1 (a)基质的分子动力学模拟，(b)富氧相的局部放大图，(c) GL-6Tb-1.0Al-0.6Ce的分子动力学模拟和(d)富氧相的局部放大图，(e) FTIR光谱，(f) Raman光谱，(g)透过光谱。

Tb³⁺的PLE光谱和Ce³⁺的PL光谱存在明显的光谱交叠，说明Ce³⁺到Tb³⁺存在能量传递。最佳样品的PLE光谱能观察到Ce³⁺的吸收，进一步证明了Ce³⁺到Tb³⁺存在能量传递。在引入Ce³⁺之后，样品的Abs和EQE均有明显提升，最佳样品的Abs为93.4%，EQE为79.7%。在高温下，由于Ce³⁺到Tb³⁺存在热增强能量传递，所以最佳样品表现出优异的PL热稳定性（573 K时的PL强度为303 K时的90.2%）。

图2 (a) GL-6Tb，(b) GL-1.0Al-0.6Ce，(c) GL-6Tb-1.0Al-0.6Ce的PL和PLE光谱，Tb³⁺掺杂玻璃的(d)量子效率，(e)变温PL光谱和(f) PL热稳定性。

最佳样品具有良好的X射线衰减能力，在玻璃厚度为2 mm时，X射线衰减效率达到99.98%。最佳样品的XEL强度为BGO的365%，表现出优异的闪烁性能。在引入Ce³⁺后，Tb³⁺掺杂玻璃的抗辐照能力明显提升。随着X射线剂量率的增加，Tb³⁺掺杂玻璃的XEL强度线性增加，拟合度高达99.99%。在开关循环测试中，玻璃样品表现出出色的可重复性。

图3 最佳样品的(a-b) X射线衰减能力，(c) XEL光谱，(d)抗辐照能力，(e) X射线剂量率相关的XEL光谱和XEL强度和(f)开关循环稳定性。

最佳样品具有优异的反热猝灭性能。随着温度升高XEL强度显著上升，在573 K时的XEL强度为303 K时的168%，远超商用闪烁体的热稳定性。并且在573 K下持续辐照35 min，XEL强度保持不变。最佳样品具有良好的变温循环性能，在经过10个变温循环后，XEL强度保持不变。

图4 (a-c) XEL热稳定性，(d)变温循环和(e) XEL机理。

室温下，通过标准线对测试卡得到的X射线成像的空间分辨率为24 lp/mm。通过MTF函数计算得到的玻璃闪烁体X射线成像空间分辨率为24 lp/mm。不同温度下的X射线成像图亮度与图4(b)中的结果相对应，随着温度升高图像的亮度逐渐提高，在高温X射线成像中的空间分辨率为24 lp/mm。

图5 (a)玻璃闪烁体成像仪器示意图，(b)室温下X射线成像，(c)室温下(左)和高温下(右) X射线成像分辨率，(d) MTF函数，(e-h)水下X射线成像，(i)高温X射线成像。

5、作者及研究团队简介

郭海（通讯作者），浙江师范大学教授，博士生导师。主要研究方向是新型稀土光学功能材料。在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Laser Photonics Rev., J. Adv. Ceram., Sci. China Mater., Adv. Opt. Mater. J. Eur. Ceram. Soc., Chem. Eng. J., Sens. Actuators B Chem., Ceram. Int., Opt. Lett., Opt. Express等刊物上发表第一作者（或者通讯作者）SCI收录论文200篇，被引用8932次，H因子为52。主持国基项目4项，省基金项目3项（含1项省重点），获浙江省自然科学奖三等奖（排名第1）1项，获重庆市自然科学奖三等奖（排名第2）1项。2015年开始担任陶瓷类国际著名期刊J. Am. Ceram. Soc.副编辑（Associate Editor）。担任《中国稀土学报》、《发光学报》青年编辑，中国硅酸盐学会特种玻璃分会理事，中国稀土学会光电材料与器件专业委员会理事等学术兼职。担任国家自然科学基金评审人。出版译著《无机固体光谱学导论》。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1）He G, Chen J, Li L, et al. Cu⁺-doped oxyfluoride glass with anti-thermal-quenching luminescence for X-ray imaging and WLED. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(8): 9221116. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221116

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。