Eu2+摻雜KCaCl3晶體的生長及發光性能

李 嫚 耿巨峰 王昊宇 楊晨樂 潘尚可 潘建國

(寧波大學材料科學與化學工程學院，浙江省光電探測材料及器件重點實驗室，寧波 315211)

稀土鹵化物閃爍晶體是指以稀土鹵化物為主要組成或以稀土離子為激活劑，在吸收高能射線(X射線、γ射線)或高能粒子后，發出紫外或可見光的晶體材料，也是人們研究得最早的一類閃爍材料，因具有優異的高能射線發光性能而被人們所熟知，如 LaBr3∶Ce[1]、NaI∶Tl[2]、SrI2∶Eu[3]等。但由于此類化合物原材料昂貴且極易潮解，限制了其更廣泛的應用。探索其他低成本、發光性能良好的閃爍材料成為人們研究的熱點。

近年來，Eu2+摻雜的復合稀土鹵化物引起人們極大的興趣，此類復合稀土鹵化物由堿金屬和堿土金屬以一定化學計量比混合生長制得，它能在一定程度上彌補單稀土鹵化物生長難度大、易潮解等缺點。其中較為典型的當屬AMX3型和AM2X5型化合物[4-8](A=堿金屬，M=堿土金屬，X=Cl、Br、I)，其利用Eu2+取代堿土金屬離子晶格格位，從而產生可見光波段高效率的4f65d1→4f7發光。如美國田納西大學Loyd等生長制得的大尺寸的KCaI∶Eu[9]和KSrI[10]325單晶，它們都具備十分優異的閃爍發光性能，如高光產額、快衰減和強發光效率等，有望在醫學成像、安全檢查、高能物理等領域取得廣泛應用。對于KCaX3∶Eu型化合物(X=Cl、Br、I)，KCaBr3∶Eu和KCaI3∶Eu近年來均有文獻報道，而KCaCl3∶Eu化合物的生長及閃爍發光性能的研究卻未有報道。我們結合研究熱點，采用低廉原料KCl和CaCl2，通過坩堝下降法生長KCaCl3∶Eu單晶，并對其發光性能進行了研究，希望得到一種在高能射線激發下具備優良發光性能的閃爍晶體材料。

1 實驗部分

1.1 晶體生長

將購買來的KCl(≥99.99%)粉末、CaCl2(≥99.99%)粉末和EuCl2(≥99%)粉末按照一定的化學計量比，在手套箱中(水蒸氣、氧壓力小于10-6Pa)稱量，然后置于瑪瑙研缽中充分研磨，裝入內徑12 mm的石英坩堝中。為了更好的成核，選用帶有錐形尖端的石英坩堝。將裝好原料的坩堝從手套箱中取出，置于管式爐中邊抽真空邊加熱。溫度由室溫升溫到350℃，加熱2 h，以除去前驅體中殘留的水分，接著用氧氣-乙炔火焰槍對石英坩堝進行密封。密封后的坩堝放入馬弗爐中加熱煅燒到800℃，保持24 h進行固相合成，得到KCaCl3∶Eu多晶料。裝有多晶料的坩堝放入下降爐中進行單晶生長，經過多次工藝參數的優化，設置接種溫度為742℃，下降速度為8 mm·d-1，冷卻速度設置為10 ℃·h-1。最后所得樣品按摻雜的Eu2+物質的量分數標記為KCa1-xEuxCl3(x=0.005、0.01、0.02、0.03、0.05)。

1.2 性能測試

使用德國Bruker D8 Focus型X射線粉末衍射(XRD)儀對樣品進行測試，該儀器采用CuKα(λ=0.071 073 nm)為激發源，X射線管的工作電壓為40 mV，工作電流為40 mA，掃描范圍在5°～80°。采用Netzsch STA 2500型熱重分析(TGA)儀對樣品進行熱分析，整個過程在氮氣氣氛保護下，以10.0℃·min-1的速率由室溫升到850℃。使用Lambda 950型分光光度計對拋光好的晶體進行透過率測定。室溫下的光致發光光譜由日本Hitachi公司生產的F4600型熒光分光光度計測得，Xe燈作為光源，晶體被密封在石英比色皿中以防止潮解，測試條件為：5 nm狹縫寬度，240 nm·min-1掃數。光致衰減曲線由FL3-111熒光光度計測試得到。X射線激發發射光譜則是利用自主搭建的X射線激發發射譜儀測得，鎢靶作為激發源，掃描波長范圍為200～600 nm。

2 結果與討論

2.1 物相分析

坩堝下降法生長出的KCa0.99Eu0.01Cl3晶體的XRD圖如圖1所示，晶體的XRD峰與標準KCaCl3的PDF卡片完全吻合且無多余雜峰，說明該晶體為純的KCaCl3單晶。將XRD數據導入到jade 6.0進行擬合計算，得出晶體為正交晶系，晶胞參數為a=0.756 04 nm，b=1.048 23 nm，c=0.726 57 nm，空間群為Pnma(62)。

圖1 KCaCl3∶Eu晶體的XRD圖Fig.1 XRD pattern of KCaCl3∶Eu crystal

在氮氣氣氛保護下得到的KCa0.99Eu0.01Cl3晶體的TG/DTA曲線如圖2所示。在升溫階段，72和150℃處有2個弱的吸熱峰，分別對應于1.7%和2.3%的失重率，推測第一個吸熱峰為晶體在測試前暴露于空氣中吸水后脫去吸附水所致，第二個吸熱峰為脫去結晶水所致。隨著溫度的升高，在742℃有一個大的吸熱峰，結合KCl-CaCl2二元相圖[11]可知該峰對應晶體的熔點。在降溫階段，697℃有一個明顯的放熱峰，為晶體的凝固點，該晶體的過冷度Δ=45℃。TG/DTA曲線表明，KCaCl3∶Eu晶體為一致熔融化合物，且無相變，適合用坩堝下降法生長。

圖2 KCa0.99Eu0.01Cl3晶體的TG/DTA曲線Fig.2 TG/DTA curves of KCa0.99Eu0.01Cl3crystal

2.2 單晶樣品

采用內徑為12 mm的石英坩堝，利用坩堝下降法成功地生長出不同濃度Eu2+摻雜的KCaCl3晶體，得到的晶體呈透明狀且無包裹物。從坩堝中敲出未經處理的晶體如圖3a所示，經切割拋光后的晶體如圖3b所示?？梢钥闯鼍w具有較為良好的光學透明度且略帶紫羅蘭色，后者是Eu2+吸收自然光后被激發所致[12]。

圖3 (a)未處理的KCa0.99Eu0.01Cl3單晶;(b)切割拋光后的Φ 10 mm×5 mm KCa0.99Eu0.01Cl3單晶Fig.3 (a)Untreated KCa0.99Eu0.01Cl3crystal;(b)Cut and polished Φ 10 mm×5 mm KCa0.99Eu0.01Cl3crystal

單晶的透過光譜如圖4a所示，440 nm處晶體的透過率接近40%，隨著波長的增加透過率逐漸增大，800 nm處可達65%。吸收邊位于440 nm處，對應于Eu2+激活的KCaCl3的光學吸收帶。圖4b為Tauc曲線，用于計算晶體的理論光學帶隙值，計算公式[13]：(αhν)1/n=A(hν-Eg)，其中α為吸收系數，A是常數，hν為光子能量，Eg是光學帶隙能，n是指數。AM2X5類晶體為間接躍遷[14]，這里n值取2，由(αhν)1/2對hν作圖，作切線與x軸交點即為晶體的理論帶隙值。如圖4b所示，KCa0.99Eu0.01Cl3單晶的理論間接帶隙值為2.89 eV。

圖4 (a)厚度為5 mm的KCa0.99Eu0.01Cl3單晶的光學透過率;(b)KCa0.99Eu0.01Cl3單晶間接帶隙的Tauc曲線Fig.4 (a)Optical transmittance of KCa0.99Eu0.01Cl3single crystal with a thickness of 5 mm;(b)Tauc plot for calculation of indirect energy band gap of KCa0.99Eu0.01Cl3single crystal

2.3 光學性能

2.3.1 光致發光光譜

室溫下測得晶體樣品的激發光譜(左)和發射光譜(右)如圖5所示(縱坐標采用歸一化)。圖5中插圖為Eu2+在KCaCl3晶格中的能級躍遷示意圖。晶體中存在2種激發態：4f內層激發態6P7/2和4f65d1激發態，KCaCl3∶Eu晶體中的允許躍遷為最低激發態(4f65d1)→基態(4f7)。由于5d電子裸露在最外層，易受到晶體場的影響，被分裂成eg和t2g軌道。當監測波長為434 nm時，可以觀察到250～420 nm范圍內寬的激發帶(左)，該激發帶包括2個明顯的峰，分別位于396和412 nm。這2個峰來自Eu2+5d能級分裂的2個激發態能級：eg和t2g。對于低對稱性的晶系，如正交晶系，在晶體場的影響下，三重簡并t2g軌道會繼續分裂成3個能級軌道，二重簡并eg軌道會分裂成2個軌道[15]。對激發譜進行高斯擬合，得到5個峰(如圖 5中數字1～5所標注)，分別位于317、364、396、397和418 nm處。這5個峰分別對應于三重簡并t2g和二重簡并eg軌道的分裂。使用396 nm激發波長激發，會在434 nm處產生一個尖銳的發射峰(圖5右)，半高寬(FWHM)為19 nm，該發射峰對應于Eu2+的4f65d1→4f7躍遷。該晶體的光致發光光譜中激發峰(左)和發射峰(右)存在重疊現象，歸因于自吸收和輻射陷阱效應，這與之前的報道類似[16]。

圖5 KCa0.99Eu0.01Cl3單晶的激發 (左)和發射 (右)光譜Fig.5 Excitation(left)and emission(right)spectra of KCa0.99Eu0.01Cl3

紫外光激發下，不同Eu2+濃度摻雜的KCa1-xEuxCl3(x=0.005、0.01、0.02、0.03、0.05)晶體的發射光譜如圖6所示。從圖中可以看出，摻雜的晶體均在430 nm左右有一個尖銳的發射峰(0.005、0.01、0.02、0.03和0.05摻雜對應的最大峰位置分別為427、431、434、434和436 nm)。隨著Eu2+濃度的增加，發射峰的強度不斷增大，發射峰的最大值向長波方向移動。這可能是由于半徑較大的Eu2+進入基質晶格取代半徑較小的Ca2+后，致使晶格膨脹，晶體場劈裂強度變大，5d軌道能級重心下降，從而使得發射波長相對向長波方向移動[17]，且摻雜濃度越高，移動越明顯。

圖6 不同Eu2+濃度摻雜的KCaCl3晶體的發射光譜Fig.6 Emission spectra of KCaCl3crystals doped with different Eu2+concentrations

KCa0.99Eu0.01Cl3晶體在434 nm監測波長下得到的衰減曲線如圖7所示。采用雙指數進行擬合，快衰減時間為1.65 μs，占總光發射的84.70%；慢衰減時間為(0.49±0.007)μs，占總光發射的15.30%。利用公式計算得到平均衰減時間為1.473 μs。該晶體具有快速的衰減性能。

圖7 KCa0.99Eu0.01Cl3晶體的光致衰減曲線Fig.7 Fluorescence decay curve of KCa0.99Eu0.01Cl3 crystal

2.3.2 X射線熒光光譜

圖 8a 為 Eu2+摻雜的 KCa1-xEuxCl3(x=0、0.005、0.01、0.02、0.03、0.05)單晶的X射線激發發射光譜。未摻雜的晶體沒有出現發射峰，摻雜的晶體均在430 nm左右有一個尖銳的發射峰，這與X射線感藍膠片的光譜靈敏度匹配良好。隨著摻雜濃度的增加，發射峰的峰強度不斷增大，發射峰最大值向長波方向移動，這種紅移現象也發生在另一些Eu2+摻雜的堿金屬、堿土金屬鹵化物上，如CsSrCl3[18]。

CdWO4晶體的X射線吸收系數大，發光效率高。將KCa0.995Eu0.005Cl3晶體和同尺寸的CdWO4晶體進行X射線激發發射光譜對比。如圖8b所示，Eu2+摻雜濃度為0.005的晶體的發光強度大于CdWO4晶體的發光強度，結合圖8a，說明Eu2+摻雜的KCaCl3晶體具備相對優異的X射線發光性能。同時，稀土摻雜的發光材料對X射線吸收效率更高，將X射線轉換為可見光輻射的效率也更高，實際應用中能明顯地降低X射線的輻照劑量，減少X射線對人體的輻射傷害。

圖8 (a)不同Eu2+濃度摻雜的KCaCl3晶體的X射線激發發射光譜;(b)KCa0.995Eu0.005Cl3晶體和CdWO4晶體的X射線激發發射光譜Fig.8 (a)X-ray stimulated luminescence spectra of KCaCl3crystals doped with different Eu2+concentrations;(b)X-ray stimulated luminescence spectra of KCa0.995Eu0.005Cl3crystal and CdWO4crystal

3 結論

采用低廉的KCl和CaCl2原料成功地生長出了透明無裂紋的KCaCl3∶Eu單晶，對其生長及光學性能進行了研究。結果表明：KCaCl3∶Eu為一致熔融化合物，適合用坩堝下降法進行生長，同時該晶體具有良好的光致發光性能及優越的X射線發光性能，無論在醫療衛生、信息顯示還是輻射探測領域都具備較大的應用潛力。