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| ▌R1 在微結構輻射探測材料研究中的應用 對基于多孔氧化鋁光子晶體結構的 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】同濟大學物理科學與工程學院劉波教授及其團隊，致力于閃爍發(fā)光材料與微納光子學的交叉研究，實現(xiàn)對傳統(tǒng) 輻射探測發(fā)光材料 的性能突破。2017 年 5 月，其團隊在 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研究中常見的多孔氧化鋁（AAO）光子晶體結構來實現(xiàn)光提取效率的增強，并對這種光子晶體結構進行了改良設計，增加了高折射率的二氧化鈦保形沉積層（conformal deposition layer），使得波長和角度相關的輻射強度獲得了 60% 的顯著增強（圖1）。該方法過程簡單、成本低廉，適用于輻射檢測領域的大面積應用。 【樣品 & 測試】光提取效率是指閃爍體內部產生的光子能夠離開閃爍體的比率。通常無機閃爍體具有較高的折射率（n=1.8~2.2），晶體界面處的全內反射是導致光提取效率降低的主要起因。在光提取過程中，當入射光遇到光子結構時，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 結構可以被看作是一個復雜的周期陣列，實現(xiàn)閃爍晶體光提取效率的增強。
基于之前的研究，作者采用*優(yōu)的 AAO 結構參數進行實驗，孔間距 A=450nm，孔直徑 D=350nm，層高 H=750nm。然后在 LYSO 閃爍體和 AAO 多孔性表面設計了高折射率的 TiO2(≈2.8) 和 Al2O3(≈1.6) 保形沉積層。作者設計了五個樣品，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 技術及復享光學 角分辨光譜測量系統(tǒng) 來完成的。如 圖2 所示，角度相關輻射光譜曲線顯示了一個近似遵循余弦發(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于 R1 樣品的光譜增強，A(2~5) 樣品的增強率分別為 30%、34%、49% 和 60%。在正常方向上，A1 樣品在峰值波長下的光提取效率增強約為 22%。在 Al2O3 保形沉積層的作用下，光提取效率增強達 27%（A2，10nm）和 38%（A3，20nm）。在 20nm 的 TiO2 保形沉積層的作用下，在峰值波長上的光提取效率增強可達 62%。圖3c 表示波長積分的發(fā)射光譜強度是發(fā)射角的函數。對于波長和角度積分的輻射強度來說，A(2~5) 樣品的增強率分別為 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】結果表明，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方面具有至關重要的作用。晶格常數或平均孔間距決定了衍射耦合是否會發(fā)生，而折射率差異對耦合效率產生強烈的影響。由于 TiO2 保形沉積層相對于 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模態(tài)，從而提高了衍射效率，進而使得波長和角度相關的輻射強度獲得了 60% 的顯著增強。由復享光學提供的 R1角分辨光譜測試系統(tǒng)，在測量 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，為研究微結構輻射探測材料的科研人員提供了有效的解決方案。▌ 【參考文獻】 ? 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 |
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