[发明专利]一种碱土金属镓硫基闪烁晶体及其制备方法和应用

说明书

本申请公开了一种碱土金属镓硫基闪烁晶体及其制备方法和应用，所述碱土金属镓硫基闪烁晶体的化学式为M_1‑x‑yGa₂S₄:xCe/yEu，其中0＜x≤1％，0＜y≤1％，M为+2价Ca、Sr离子中的至少一种。采用本申请制备方法得到的碱土金属镓硫基闪烁晶体表现出高于商业BGO晶体1～3倍的光产额，以及高于商业BGO晶体2～5倍的闪烁敏感性响应值，总体的优异性能在X射线检测中显示出重要的应用价值，有希望成为新一代用于X射线探测的闪烁材料。

技术领域

本申请涉及一种碱土金属镓硫基闪烁晶体及其制备方法和应用，属于晶体材料技术领域。

背景技术

闪烁晶体是一种可以将高能射线转化为光响应或电响应的重要光功能晶体。以闪烁材料为核心器件的核辐射探测器可将高能粒子或射线转换为低能量的光子，再经过光电倍增管(PMT)的光电转换放大成电信号，从而实现对目标物质的研究。

当辐射粒子入射到半导体材料内会损失能量，从而使半导体材料产生电子-空穴对。在外电场的作用下，电子空穴对分开分别向两电极做漂移运动，电极上感应出电荷，达到探测器的正常工作。要实现这一过程，要求半导体材料必须具备以下条件：较大的平均原子序数，能够对辐射有良好的吸收，合适的禁带宽度，电子和空穴有足够的漂移长度和低缺陷密度，以便载流子能够在到达电极之前不发生复合，最终得到有效的载流子收集和能量分辨。

基于以上要求，常见的半导体探测材料有高纯度的硅、锗、碲化镉、砷化镓、碘化汞、铅卤素钙钛矿材料等。其中硅和锗的禁带宽度较小，只能在低温下工作且对射线的吸收率较低，碲化镉有着良好的射线吸收能力，但是较低的载流子迁移率寿命乘积和高成本的晶体生长制约了它的发展，砷化镓的电阻率较低，并且高质量的砷化镓单晶制备较为困难，碘化汞同样存在着这样的问题。

近年来，以硫镓基为结构中心的硫属在非线性光学领域表现出优异的光学性能，这类材料的原子序数较大，能够很好地吸收x射线，并且易于通过阳离子结构策略的调整获得较大的带隙，本征缺陷密度低，能够有效地改善载流子的运输，有利于制作高能量辐射探测器。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种碱土金属镓硫基闪烁晶体，该闪烁晶体通过高温固相法生长，其中碱土金属的引入增大了化合物的带隙并且增加了化合物的原子序数，能够很好地吸收X射线，并表显著提高了光产额，光响应性能，总体的优异性能在X射线检测中显示出重要的应用价值，有希望成为新一代用于X射线探测的闪烁材料。

本申请采用如下技术方案：

一种碱土金属/镓硫基闪烁晶体，化学式为M_1-x-yGa₂S₄:xCe/yEu；

M为+2价Ca或Sr离子；

其中0＜x≤1％，0＜y≤1％。

可选地，x、y独立地选自0.1％、0.3％、0.5％、0.7％、0.9％、1％中的任意值，或任意两者之间的范围值。

可选地，所述闪烁晶体中Ga₂S₄为畸变的[GaS₄]四面体单元。

可选地，所述闪烁晶体的原子序数为32。

可选地，所述闪烁晶体光产额为9314～24177ph/MeV。

可选地，所述闪烁晶体闪烁敏感性响应值为2.78～4.88。

可选地，所述闪烁晶体在450nm波长的衰减时间为485～590ns。

根据本申请的另一方面，提供了一种上述碱土金属镓硫基闪烁晶体的制备方法，包括如下步骤：