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浙江师大/电子科技大学长三角研究院（衢州）：缺陷工程调控Ce3+掺杂硼硅酸盐玻璃闪烁体：面向多功能与环境自适应X射线成像

已有 169 次阅读 2026-11-3 09:57 |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:

Tang C, Guo S, Wei R, et al. Defect-engineered Ce³⁺-doped borosilicate glass scintillator for multifunctional and environment-adaptive X-Ray imaging. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221393

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221393

ResearchGate：Defect-engineered Ce ³⁺ -doped borosilicate glass scintillator for multifunctional and environment-adaptive X-Ray imaging

1、导读

面对高效、稳定且兼具多功能成像能力的先进闪烁材料需求，本研究开发了一种基于缺陷工程的Ce³⁺掺杂硼硅酸盐玻璃闪烁体。通过辐射诱导形成弗伦克尔缺陷，实现了单一材料中高效闪烁与持久信息存储的集成。优化样品的内、外量子效率分别高达92.4%和85%，X射线激发荧光(XEL)强度达到商用BGO晶体的190%，闪烁寿命仅为142.3 ns。同时，材料具有优异的环境适应能力与稳定性：在513 K高温下，XEL强度仍保持室温值的64%；连续辐照80 min后，强度几乎无衰减；浸泡112天后，性能仍保持初始值的92%。基于该材料，实现了涵盖实时（22.1 lp/mm）、延时（12 lp/mm）、动态、高温及水下场景的多模式高分辨X射线成像。本研究为基于弗伦克尔缺陷的非晶闪烁体设计及多功能X射线成像提供了新思路。

2、研究背景

闪烁体是X射线探测系统中的核心辐射转换材料，广泛应用于医学影像、安检、工业无损检测和高能物理等领域。随着大面积成像、实时动态探测及复杂环境应用需求的不断增长，先进闪烁体不仅需要具备高光输出和快速响应能力，还应兼顾优异的成像质量、长期服役稳定性以及X射线辐照信息的存储和延时读取能力。然而，现有无机晶体、有机‑杂化闪烁体、卤化物钙钛矿等材料体系，在制备工艺、环境稳定性、成本控制及多功能集成等方面仍面临不同程度的局限。因此，如何在同一材料体系中兼顾高效闪烁、快速响应、高保真成像、优异稳定性与可控信息存储，仍是先进X射线探测材料领域亟待解决的关键问题。

针对上述挑战，本研究以Ce³⁺掺杂硼硅酸盐玻璃为研究对象，提出一种面向非晶材料体系的缺陷工程策略，通过调控玻璃网络中弗伦克尔缺陷的形成与演化，调节辐照诱导载流子的俘获与释放行为，从而实现实时闪烁与延时信息读取的协同调控。在此基础上，进一步探索该材料在不同时间尺度及复杂环境下的X射线成像能力，为非晶闪烁体中缺陷态的功能化设计，以及实时探测与信息存储相结合的多模式X射线成像材料开发提供新思路。

3、文章亮点

(1) 揭示非晶玻璃中辐照诱导弗伦克尔缺陷的相关机制，实现高效闪烁与持久信息存储的集成。

(2) 内/外量子效率达92.4%/85%；XEL强度达商用BGO晶体的1.9倍，闪烁衰减时间仅142.3 ns，空间分辨率达22.1 lp/mm。

(3) 具有优异稳定性：513 K下XEL强度保持室温值的64%，连续辐照80 min几乎无衰减，浸泡112天后保持率超92%。

(4) 实现实时、延时、动态、高温及水下多模式高分辨X射线成像。

4、研究结果及结论

铝粉的引入未显著改变玻璃的本征网络结构，红外光谱中观察到的Si‑O、Al‑O等特征吸收峰保持稳定。结合透射光谱红移现象与XPS分析结果，表明铝粉的引入能有效抑制Ce³⁺向Ce⁴⁺的氧化。最优样品G‑1Ce‑1.2Al的内、外量子效率分别达到92.4%与85%，X射线激发发光(XEL)强度达到商用BGO晶体的135%，荧光寿命为57.24 ns，闪烁衰减时间为142.3 ns，展现出优异的发光性能，为高分辨X射线成像提供了材料基础。

图1 (a) G-1Ce-xAl的XRD谱图。(b)基质玻璃和G-1Ce-1.2Al的FTIR图谱。(c) G-1Ce-xAl的透射光谱。(d) G-1Ce-0Al和G-1Ce-1.2Al的XPS光谱。(e) G-1Ce-xAl的PLE和PL光谱。(f) G-1Ce-1.2Al的量子效率。(g) G-1Ce-xAl的XEL光谱。(h) G-1Ce-xAl相对于商用BGO的XEL强度比较。(i) G-1Ce-0Al (λ_ex=327 nm, λ_em=420 nm)和G-1Ce-1.2Al (λ_ex=327 nm, λ_em=380 nm)的发光衰减曲线。

结合热释光、EPR、NMR以及XPS等多种表征手段，对缺陷信号及局域配位结构进行综合分析，证实该缺陷源于X射线辐照诱导形成的F空位。在亮场效应作用下，样品的XEL强度提升至BGO的190%，达到现有Ce³⁺掺杂玻璃及微晶玻璃体系的先进水平。

图2 G-1Ce-1.2Al：(a)经不同功率X射线辐照、未辐照及紫外光照射(λ_ex=340 nm)后的TL曲线；(b)不同功率X射线辐照前后的EPR谱；(c) 19F NMR谱及拟合结果；(d) X射线辐照前后F1s的XPS光谱；(e)高能X射线辐照诱导Frenkel缺陷形成的示意图；(f)连续X射线辐照80min过程中 XEL强度的变化；(g) X射线辐照15min后G-1Ce-1.2Al与BGO的XEL强度比较；(h)本研究样品与已报道的Ce³⁺掺杂玻璃及微晶玻璃在相对XEL强度和空间分辨率方面的比较。

G‑1Ce‑1.2Al样品表现出优异的热稳定性、坑辐照性能和化学稳定性：在513 K下，XEL强度仍保持室温值的64%；连续辐照80 min后，闪烁强度几乎无衰减；浸泡112天后，性能保持率仍超过92%。此外，该样品X射线衰减能力与BGO晶体相当，在厚度为1.5 mm时，X射线衰减效率可达99.9%，并表现出良好的剂量线性响应特性，最低检测限低至7.21 µGy/s。

图3 G-1Ce-1.2Al：(a) 本研究样品与BGO的变温XEL强度；(b)样品在水、乙醇、弱碱（PH=10）和弱酸（PH=4）溶液中浸泡不同时间后的XEL强度；(c) BGO、YAG:Ce、Si和G-1Ce-1.2Al的X射线吸收系数；(d) X射线衰减效率随样品厚度的变化；(e)不同剂量X射线辐射下的XEL光谱；(f) XEL强度与X射线剂量率的线性拟合；(g) 样品的XEL机制示意图。

G‑1Ce‑1.2Al样品可实现多功能X射线成像应用，可清晰解析被测对象的内部结构。其实时成像和延时成像空间分辨率分别达到22.1 和12 lp/mm。经水浸泡14天后，水下成像的清晰度和发光亮度均未明显下降；在483 K高温环境下，仍能有效分辨物体内部结构。此外，该材料可在60 fps帧率下实现运动小锤的动态成像，且成像过程未见明显伪影。

图4 G-1Ce-1.2Al的多模式X射线成像演示：(a)芯片、弹簧和(b)标准X射线分辨率测试卡的实物照片及对应的实时X射线成像图像；(c)基于MTF计算的空间分辨率；(d)芯片、螺钉和标准X射线分辨率测试卡的延时X射线成像；(e)金属图案的水下X射线成像；(f)加热板的高温X射线成像；(g)锤子运动过程的实时动态X射线成像。

5、作者及研究团队简介

魏荣妃（通讯作者），浙江师范大学副教授，硕士生导师。主要从事玻璃/微晶玻璃、荧光粉等光功能材料的研究。以第一作者或通讯作者身份在Laser Photonics Rev.、Adv. Opt. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Opt. Lett.、Opt. Express、J. Eur. Ceram. Soc.等期刊上发表SCI论文50余篇。主持国家自然科学基金面上/青年、浙江省青年基金以及国家重点实验室开放课题等项目。获浙江省自然科学三等奖一项（排名第2）。2022-2026年连续入选全球前2%顶尖科学家榜单。担任《发光学报》青年编辑。

田祥岭（通讯作者），电子科技大学长三角研究院（衢州）副研究员，科技副总。主要从事发光材料及人工智能的研究。以第一作者或通讯作者身份在Adv.Mater.、Laser Photonics Rev.、Appl. Phys. Lett.等期刊发表SCI论文30余篇，授权发明专利6项，参编英文专著3本。主持国家及省市项目6项。先后荣获中国硅酸盐学会优秀博士论文、浙江省自然科学二等奖、中央军委装备大赛决赛奖、南孔精英计划专项青年人才项目、2026年南孔创业项目C类等及2018 年中国光学十大进展提名（2 次）。

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9518次，H因子为54。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

2) 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, 2026, 15(1): 9221220. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221220

3) Chen J, Mei Y, Lin H, et al. Eu²⁺-actived oxyfluoride glass with highly efficient blue–cyan luminescence for X-ray imaging and white LED applications. Journal of Advanced Ceramics, 2026, 15(5): 9221286. https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221286

4) Yu S, He G, Jiang X, et al. Enhanced luminescence, thermal stability, and scintillation performance in Zn₂SiO₄:Mn²⁺ phosphors via a lattice modification strategy based on Mg²⁺ co-doping. Journal of Advanced Ceramics, 2026, 15(9): 9221352. https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221352

《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，清华大学出版社有限公司出版，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、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。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、WJCI等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2026年6月发布的SCI影响因子为14，连续6年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2026年2月发布的WJCI影响因子为15.350，位列“陶瓷学”26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；2026年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。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有限公司自主研发、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。