一種複合光子晶體結構閃爍體的製作方法

2023-05-18 14:45:36

本發明屬於核輻射探測領域，尤其是涉及一種複合光子晶體結構閃爍體。

背景技術：

核輻射探測在高能物理實驗、核物理實驗、核醫學成像、宇宙線探測、同步輻射應用、武器研究、反恐安檢、核應急處置等方面具有重要作用，其中包含了諸多涉及國家安全和大科學裝置的重大需求。核輻射探測包括對各種帶電粒子(如電子、質子、α粒子、裂變碎片)、中性粒子(如中子)和高能光子(如X射線和γ射線)進行時間分辨、能量分辨、空間分辨和粒子甄別測量。在眾多的核輻射探測裝置中閃爍探測器由於具有效率高、靈敏體積大等優點成為使用最廣泛的探測方法之一。

閃爍探測器的基本原理是由核輻射與閃爍體相互作用，閃爍體吸收了輻射粒子的能量後產生可見光-近紫外光發射(稱作閃爍發光)，閃爍發光被光電倍增管等光電器件收集並轉換成電信號，由電子學系統記錄，便可實現對輻射的探測。閃爍發光過程包括輻射粒子能量轉換、次級電子激發、電子熱化、發光中心激發和光發射，整個閃爍過程包含了輻射粒子的信息，因此對閃爍光的反演即可實現對輻射的認知。

實際應用中，閃爍體的光輸出直接決定的探測器的效率，光輸出由閃爍體的本徵光產額和光提取效率共同決定，目前使用的大部分商用閃爍體的本徵光產額都經過晶體生長技術的充分優化接近理想值。但由於大部分閃爍體的折射率較大(通常介於1.8到2.2之間)，閃爍光在出射面形成的內全反射角較小，導致大部分閃爍光被限制在閃爍體內部無法出射，除了內全反射外，在閃爍晶體的界面還存在菲涅爾反射，同樣會由於反射的作用限制閃爍光的輸出，因此雖然很多閃爍體保持了高的內量子效率，但由於內全反射和菲涅爾反射的共同作用，大量閃爍光子無法進入探測系統成為有效的閃爍光，因此如何提取這部分被限制在閃爍體內部的光顯得十分重要。

申請號為201410496266X的中國專利公開了採用光子晶體結構實現閃爍體光輸出效率的提高，該發明中採用光子晶體結構，通過降低內全反射的方法實現了光輸出的提高，但對於菲涅爾反射卻沒有作用，效率提高有限。論文(Enhanced light extraction of Bi3Ge4O12scintillator by graded-refractiveindexantireflection coatingsFei Tong,Bo Liu,Hong Chen,Zhichao Zhu,and Mu Gu，Appl.Phys.Lett.103,071907(2013))中展示了如何利用梯度折射率構成的多層膜實現菲涅爾反射的消除，但該結構對內全反射不起任何作用，效率提高有限，同時論文中採用的溶膠-凝膠法製備的梯度折射率多層膜其折射率大小較難控制，多層膜之間的互溶也會限制該方法的應用。目前缺乏一種可以同時降低菲涅爾反射和內全反射的技術方案實現閃爍體光輸出的大幅提高。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種同時解決菲涅爾反射和全內反射導致的閃爍光子被陷效應，提高閃爍體的光輸出的複合光子晶體結構閃爍體。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種複合光子晶體結構閃爍體，包括閃爍體基底、布置在閃爍體基底上的減反射層、布置在減反射層上的光子晶體層，

所述的減反射層由具有梯度折射率的錐形體或錐臺體呈周期陣列或無序陣列構成，所述的光子晶體層為內部形成周期性空氣孔洞的高折射率材料層。

所述的錐形體的底邊長度介於λ/30和λ/10之間，底角介於20-60度之間，各錐形體之間的平均間隙小於λ/30，其中λ為閃爍發光的中心波長。

所述的錐臺體的底邊與頂邊的長度介於λ/30和λ/10之間，底角介於20-60度之間，各錐臺體之間的平均間隙小於λ/30，其中λ為閃爍發光的中心波長。

減反層的作用是減少和消除菲涅爾反射，菲涅爾反射的消除可以採用漸變折射率的方法，本專利採用的屬於亞波長結構性減反，每個錐形體或錐臺體的尺度遠小于波長，則光波與其相遇時，感受到的是平均折射率效應，平均折射率大小來自錐形體或錐臺體與其周圍空氣的加權平均，因此隨著高度的逐漸增加，平均折射率逐漸降低。這種逐步降低越緩慢，則菲涅爾反射消除的越多，當採用錐形體時，最頂端的折射率已經降低到了1，與空氣折射率完全一致。考慮到製備條件的影響，錐臺體也是可行的技術方案。

所述的減反射層採用自組裝二氧化矽微球製備得到，然後利用含氟等離子體刻蝕得到錐形體或錐臺體自組裝單層陣列。

所述的光子晶體層為TiO2層，在該TiO2層內分布呈單層六角密堆積結構的空氣孔洞。

所述的光子晶體層採用以下方法製備得到：

1)採用自組裝方法形成單層聚苯乙烯微球陣列；

2)在其表面共形沉積高折射率TiO2層，沉積厚度介於100-300nm；

3)採用加熱蒸發的方法去除聚苯乙烯微球，獲得具有周期性的空氣孔洞構成的TiO2層光子晶體結構。

所述的光子晶體的周期，即相鄰空氣孔洞中心點之間的距離介於0.8λ和2λ之間，其中λ為閃爍發光的中心波長。

光子晶體層具體可以採用以下方法製備得到：

1.矽片處理。配製質量分數為5％的十二烷甲基硫酸鈉溶液，將厚度為0.5mm的矽片放入該溶液中，放置12小時。

2.配製聚苯乙烯微球(微球直徑為414nm)溶液。取質量分數為2.5％的聚苯乙烯微球溶液和無水乙醇，按1:1的比例混合。

3.將已配製好的聚苯乙烯微球溶液滴到處理過的矽片上，等待其在矽片上充分展開，並將水分完全揮發。

4.把附著聚苯乙烯微球的矽片緩慢放入去離子水中，這時聚苯乙烯微球漂浮在水面上，並形成六角陣列排布。

5.用表面覆蓋二氧化矽圓錐體陣列的樣品從水中將漂浮的聚苯乙烯微球陣列撈起，待自然蒸發掉多餘的水分後，閃爍體層表面即附著了聚苯乙烯微球陣列。

6.覆蓋層TiO2的製備。採用三維原子層沉積技術，在聚苯乙烯微球陣列上沉積TiO2層，沉積厚度為200nm，沉積時的工作溫度為60攝氏度。

7.將樣品放置於馬弗爐內緩慢升溫到350攝氏度，去除聚苯乙烯微球，獲得具有周期性的空氣孔洞構成的TiO2層光子晶體結構。

當儘可能地消除了菲涅爾反射的影響之後，閃爍光遇到光子晶體結構，在光子晶體的衍射作用下，通過附加平面內動量，實現全內反射光的有效提取。本申請採用的光子晶體結構是去除了聚苯乙烯微球的反式結構，其目的是提高折射率的襯度(即空氣與TiO2的折射率差，2.8-1＝1.8)。如果不去除聚苯乙烯微球，則其折射率襯度為2.8-1.5＝1.3。折射率襯度的提高使得更多模式可以被局域在光子晶體的高折射率層，從而提高光提取的效率。

所述的閃爍體基底包括無機閃爍體、塑料閃爍體或玻璃閃爍體。

菲涅爾反射和全內反射是性質完全不同，但都對光輸出產生影響的反射作用。消除它們也必須基於不同的物理原理和相應的技術方案。減反層消除的是菲涅爾反射，採用的方案是亞波長構成的平均折射率梯度漸變的方式，其對降低全內反射沒有任何效果。而光子晶體結構屬于波長量級的光子結構，顯著的衍射效應導致其對全內反射光子產生附加平面內動量，當該動量滿足進入空氣的條件時即可實現對全內反射的打破，而波長結構的光子晶體結構對於消除菲涅爾反射無法發揮作用。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

(1)本技術方案利用特定的減反層和光子晶體層相互結合，將菲涅爾反射和全內反射通盤考慮加以克服，最大限度提高光輸出的效率；

(2)所採用技術方案易於低成本製備大面積樣品，有利於實際應用和推廣。

附圖說明

圖1為複合光子晶體結構閃爍體結構示意圖。

圖2為光子晶體層和減反層的關係示意圖。

圖3為減反層中錐形體或錐臺體的結構示意圖。

圖4為光子晶體結構示意圖。

圖5為實施例1中錐形體的二氧化矽陣列SEM圖。

圖6為實施例1中樣品和對比樣品的X射線激發時的發光光譜。

圖中，1為閃爍體基底、2為減反射層、3為光子晶體層。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。

實施例1

一種複合光子晶體結構閃爍體，包括閃爍體基底、布置在閃爍體基底上的減反射層、布置在減反射層上的光子晶體層。

本實施例採用的閃爍體基底是表面10X20mm2，厚度為1mm的(Lu,Y)2SiO5:Ce閃爍晶體，其發光峰約為420nm，減反層的製備採用直徑為40nm的二氧化矽微球。經過自組裝過程，獲得閃爍體表面覆蓋二氧化矽微球周期陣列。隨後將樣品放入等離子體室，抽真空到1x10-6Torr，隨後採用CF4和O2的混合氣體(其中O2的含量為15％)產生的等離子體轟擊樣品表面300秒，獲得錐形體的二氧化矽陣列，其電鏡照片如圖5所示。光子晶體製備過程如下，1.矽片處理。配製質量分數為5％的十二烷甲基硫酸鈉溶液，將厚度為0.5mm的矽片放入該溶液中，放置12小時。2.配製聚苯乙烯微球(微球直徑為414nm)溶液。取質量分數為2.5％的聚苯乙烯微球溶液和無水乙醇，按1:1的比例混合。3.將已配製好的聚苯乙烯微球溶液滴到處理過的矽片上，等待其在矽片上充分展開，並將水分完全揮發。4.把附著聚苯乙烯微球的矽片緩慢放入去離子水中，這時聚苯乙烯微球漂浮在水面上，並形成六角陣列排布。5.用表面覆蓋二氧化矽圓錐體陣列的樣品從水中將漂浮的聚苯乙烯微球陣列撈起，待自然蒸發掉多餘的水分後，閃爍體層表面即附著了聚苯乙烯微球陣列。6.覆蓋層TiO2的製備。採用三維原子層沉積技術，在聚苯乙烯微球陣列上沉積TiO2層，沉積厚度為200nm，沉積時的工作溫度為60攝氏度。7.將樣品放置於馬弗爐內緩慢升溫到350攝氏度，去除聚苯乙烯微球，獲得具有周期性的空氣孔洞構成的TiO2層光子晶體結構。

為了對比總體效果，分別製備了只含減反層(參考樣品1)和只含光子晶體層(參考樣品2)的樣品，並進行對比測試。

圖6展示了X射線激發下，樣品的發光光譜，結果表明包含減反層和光子晶體層的樣品的發光在整個發光光譜區間都比僅有減反層和僅有光子晶體層的樣品有顯著增強。

實施例2

一種複合光子晶體結構閃爍體，其結構如圖1所示，包括閃爍體基底1、布置在閃爍體基底1上的減反射層2、布置在減反射層2上的光子晶體層3。

閃爍體基底1採用的是無機閃爍體。減反射層2由具有梯度折射率的錐形體或錐臺體呈周期陣列構成，光子晶體層3為內部形成周期性空氣孔洞的高折射率材料層，其結構如圖2所示。

每個錐形體或錐臺體的尺寸a1，b1，b2介於λ/30和λ/10之間，其中λ為閃爍發光的中心波長。Θ角介於20-60度之間，如圖3所示。錐形體或錐臺體之間的平均間隙小於λ/30。本實施例中採用的是錐形體，其底面長為λ/30，Θ角為60°。

減反射層2採用自組裝二氧化矽微球製備得到，然後利用含氟等離子體刻蝕得到錐形體或錐臺體自組裝單層陣列。

光子晶體層為TiO2層，在該TiO2層內分布呈單層六角密堆積結構的空氣孔洞，其結構如圖4所示。光子晶體層採用以下方法製備得到：

1)採用自組裝方法形成單層聚苯乙烯微球陣列；

2)在其表面共形沉積高折射率TiO2層，沉積厚度100nm；

3)採用加熱蒸發的方法去除聚苯乙烯微球，獲得具有周期性的空氣孔洞構成的TiO2層光子晶體結構，光子晶體的周期即相鄰空氣孔洞中心點之間的距離為0.8λ，其中λ為閃爍發光的中心波長。

實施例3

一種複合光子晶體結構閃爍體，包括閃爍體基底、布置在閃爍體基底上的減反射層、布置在減反射層上的光子晶體層。

閃爍體基底採用的是塑料閃爍體。減反射層由具有梯度折射率的錐臺體呈周期陣列構成，錐臺體的底邊的長度為λ/10，頂邊的長度為λ/30，底角為20度，各錐臺體之間的平均間隙小於λ/30，其中λ為閃爍發光的中心波長。

減反射層2採用自組裝二氧化矽微球製備得到，然後利用含氟等離子體刻蝕得到錐形體或錐臺體自組裝單層陣列。

光子晶體層為內部形成周期性空氣孔洞的為TiO2層，在該TiO2層內分布呈單層六角密堆積結構的空氣孔洞，光子晶體層採用以下方法製備得到：

1)採用自組裝方法形成單層聚苯乙烯微球陣列；

2)在其表面共形沉積高折射率TiO2層，沉積厚度300nm；

3)採用加熱蒸發的方法去除聚苯乙烯微球，獲得具有周期性的空氣孔洞構成的TiO2層光子晶體結構，光子晶體的周期即相鄰空氣孔洞中心點之間的距離為1.2λ，其中λ為閃爍發光的中心波長。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。