具有光子晶体结构调控的NaYF4:Ce/Tb核壳纳米晶薄膜的制备及发光性能的研究

Scintillation and wavelength-shifting films play an important role in the field of nuclear radiation detection. The luminescence efficiency of the film is vital to the performance of the detection system. Due to the high luminescence efficiency and stable physicochemical properties, NaYF4:Ce/Tb nanocrystals can be used for X-ray detection. In this proposal, with the NaYF4:Ce/Tb nanocrystals as the object of the research, the NaYF4:Ce/Tb nanocrystals scintillation film with the photonic crystal structures is prepared. The main research contents include: research the preparation of NaYF4:Ce/Tb core-shell nanocrystals by oil-phase method, exploring the physical mechanism of controlling the scale of the nanocrystal, research the preparation of luminescent film composited by NaYF4:Ce/Tb core-shell nanocrystals and polymer, research the mechanism of controlling the emission directionality of the luminescent film by photonic crystal structures and the preparation of the luminescent film, exploring the application of this luminescent film in wavelength-shifting and X-ray imaging system. The implementation of the proposal will explore a new type of luminescent film with high luminescence efficiency and directional emission, which can promote the development of scintillation detection system.

闪烁发光/闪烁移波薄膜在核辐射探测领域具有重要用途。薄膜的发光效率是影响系统探测性能的关键。NaYF4:Ce/Tb纳米晶发光材料具备发光效率高、物理化学性质稳定和发光稳定性强等优点，可用于X射线探测。本项目拟以NaYF4:Ce/Tb纳米晶为研究对象，制备具有光子晶体结构调控的NaYF4:Ce/Tb核壳纳米晶薄膜。主要研究内容包括，采用油相法制备NaYF4:Ce/Tb核壳纳米晶，探索纳米晶颗粒尺度调控的物理机制，研究发光效率高的NaYF4:Ce/Tb核壳纳米晶与聚合物复合发光薄膜的制备方法，研究光子晶体调控薄膜发光方向性的机制以及具有光子晶体结构薄膜的制备方法，探索该材料在闪烁移波和X射线成像上的应用。项目的实施将探索出具有高发光效率以及发光方向性可控的新型薄膜发光材料，促进闪烁探测系统的发展。

闪烁发光/闪烁移波薄膜在核辐射探测领域具有重要用途。薄膜的发光效率是影响系统探测性能的关键。NaYF4:Ce/Tb纳米晶发光材料具备发光效率高、物理化学性质稳定和发光稳定性强等优点，可用于X射线探测。本项目以NaYF4:Ce/Tb纳米晶为研究对象，制备具有光子晶体结构调控的NaYF4:Ce/Tb核壳纳米晶薄膜。取得了以下主要成果：.1）采用油相法制备NaYF4:Ce/Tb核壳纳米晶，探索纳米晶颗粒尺度调控的物理机制，研究发光效率高的NaYF4:Ce/Tb核壳纳米晶与聚合物复合发光薄膜的制备方法，优化出最佳的离子掺杂浓度比例。实验结果表明，发现当Ce离子的浓度为0.3%，Tb离子的浓度为3%时，纳米晶发光强度最高。.2）发明了通过引入 buffer层来提高闪烁体的光提取效率的方法。该方法可以避免在制备光子晶体时，闪烁体被污染或破坏。系统地研究了buffer折射率对闪烁体发光效率地影响。结果表明，当buffer层的折射率与闪烁体的折射率接近时，闪烁体的光提取效率最高。.3）利用具有渐变折射率的微锥阵列提高闪烁体的光提取效率。渐变折射率可以部分消除光子晶体的向后反射，从而可以进一步提高光提取效率。首次提出了首次光提取效率的概念，并利用这个概念解释了光提取效率随微锥阵列参数变化的原因。实验结果表明，当闪烁体高宽比大于3时，使用微锥阵列可以使闪烁体光提取效率增强142%。.4）利用具有高折射率衬度的空心球阵列提高闪烁体的光提取效率。首次将闪烁光在闪烁体内的传播纳入到光子晶体的设计中。实验结果表明：当壳层材料为氧化钛，壳层厚度为50nm时，闪烁体的光提取效率最大可增强233%。