新型闪烁晶体LuBO3:Ce的相变、生长与闪烁性能研究

铈掺杂硼酸镥（LuBO3:Ce）晶体是近几年发现的新型闪烁晶体，它具有高光输出、高密度、快衰减、不潮解等优点。可望在核医学成像、安全检查及高能物理领域获得广泛的应用。但该晶体存在球霰石结构和方解石结构两个相，且前者的闪烁性能优于后者。迄今尚未制备得到球霰石结构的晶体，有关晶体生长、闪烁性能和应用方面的研究尚属空白。本项目拟以鲍林定律及价键理论为基础，从晶体结构和晶体热力学入手，分析其同质多相和发生相变的内在原因；在确保材料闪烁性能的前提下，进行掺杂改性研究。通过组分调整和生长技术革新实现对球霰石结构与方解石结构相的控制，制备出具有球霰石单一相结构的LuBO3:Ce晶体；进而深入开展晶体闪烁性能及其温度依赖特性与抗辐照损伤能力的研究。本项目的开展将有助于阐明晶体结构、晶体化学与晶体生长条件的关系，丰富和发展光功能晶体的结构设计理论，直接推动LuBO3:Ce晶体的生长理论及应用开发。

本项目对LuBO3:Ce的相变、掺杂改性和闪烁性能进行了研究。具体来说，主要分以下四个研究部分：.研究发现一直被认为具有高闪烁性能的高温球霰石相只存在于低温区，并且国际上首次报道了LuBO3高温相的存在。揭示了低温球霰石相结构不稳定的内在原因。排除了熔体法生长低温球霰石相或高温相晶体的可能性。确立了方解石相稳定替代离子的筛选原则，并最终筛选得到相稳定替代离子。.通过提拉法成功得到Lu1-xScxBO3:Ce3+ (x=0.2，0.3，0.5，0.7)单晶。研究了该体系晶体中的包裹体形式和铈离子分凝现象，并发现Lu0.8Sc0.2BO3:1at%Ce3+晶体，具有高密度(6.1 g/cm3)，快衰减(29.4 ns)，高闪烁效率(~80% LYSO)以及不潮解的物理特性，是一类有前途的闪烁材料。通过对Lu1-xScxBO3:Ce3+晶体结构的解析和分析，揭示了单晶成分偏离熔体成分现象的内在原因。构建了Lu1-xScxBO3:Ce中Ce3+的5d能级能量和晶体场之间的关系。研究了钪含量对Lu1-xScxBO3:Ce3+电子结构的影响，并揭示了随钪含量增加该体系晶体闪烁效率降低的内在原因。评价了利用光电子能谱测试手段估算Ce3+的4f基态相对于价带顶的能级位置的有效性。首次判别了铈掺杂硼酸镥钪晶体中深能级缺陷的成因和类型。.通过提拉法制备得到不同铈掺杂浓度的Lu0.8Sc0.2BO3:Ce单晶，发现最佳的闪烁效率是在铈离子初始掺杂浓度为2at%下获得。通过提拉法制备得到Pr3+-Ce3+共掺Lu0.8Sc0.2BO3单晶，系统分析了该系列晶体中Pr3+→Ce3+能量传递的效率、路径、Pr3+掺杂浓度效应。开展了铈离子价态调节工程研究，发现Lu0.8Sc0.2BO3:Ce多晶料和晶体中铈的价态都受铈离子掺杂氧化态形式和原料固相合成气氛的影响。揭示了样品中闪烁效率差异是由于不同的Ce3+/Ce4+比例造成的。.通过提拉法制备得到Lu0.8Sc0.2BO3:Pr单晶，研究发现该晶体具有高密度(6.1 g/cm3)，快衰减(11.9 ns)，高闪烁效率(~170% BGO)以及不潮解的物理特性，是一种有前途的闪烁体材料。开展了Pr3+发光中心在Lu0.8Sc0.2BO3基质中的衰减动力学研究，发现Pr3+的5d1激发态存在热电离和延迟复合发光过程，并计算得到相应的热电离特征参数。