掺杂Ce3+和Li+的SrSiO3陶瓷在辐射剂量测量中表现出更强的OSL（光学释光）响应

高温固相合成SrSiO3:Ce3?/Li?共掺杂发光陶瓷，通过XRD和SEM验证晶体结构和形貌，探究Ce3?掺杂及Li?补偿对OSL、TL性能的影响，发现0.1% Ce和5% Li掺杂时发光信号最佳，且材料具备宽剂量范围稳定剂量响应和良好重复性，适用于被动辐射剂量计。

　　

A. Mesto|V. Altunal|V. Guckan|A. Ozdemir|O. Yigit|K. Kurt|A. Ekicibil|Z. Yegingil

土耳其阿达纳Cukurova大学艺术与科学学院物理系，邮编01250

摘要

本研究报道了基于锶硅酸盐（SrSiO₃）的发光陶瓷的高温固态合成方法，这些陶瓷用于被动辐射剂量测量，并通过掺杂离子增强了其光致发光（OSL）性能。成功制备了未掺杂和掺杂的SrSiO₃陶瓷，利用X射线衍射（XRD）研究了样品的晶体结构和相纯度，同时利用扫描电子显微镜（SEM）研究了其形貌。XRD结果表明，所有样品均结晶为单斜晶系的SrSiO₃相，没有其他次要相，并且目标掺杂元素已成功掺入结构中。Ce³⁺离子取代了Sr²⁺位点，而结构中的电荷不平衡通过掺入Li⁺离子得到补偿。使用热释光（TL）、OSL和辐射发光（RL）技术系统地研究了未掺杂和掺杂样品的发光特性。结果表明，Ce³⁺掺杂增强了TL和OSL信号，而Ce³⁺/Li⁺共掺杂显著提高了发光信号，并改善了陷阱的热稳定性和光学稳定性。浓度猝灭研究表明，Ce和Li的最佳掺杂浓度分别为0.1%和5%。OSL衰减曲线和TL–OSL相关性的分析表明，多个陷阱能级对OSL信号有贡献。剂量测量评估显示，最终产品SrSiO₃:Ce_0.1%,Li_5%陶瓷具有良好的重复性、可接受的衰减行为以及在宽剂量范围内的非线性但稳定的剂量-响应曲线。本研究表明，Ce³⁺/Li⁺共掺杂的SrSiO₃陶瓷是OSL剂量测量的有前景候选材料。

引言

被动辐射剂量测量涉及测量、计算和解释剂量计（例如发光磷光体）在受到电离辐射后产生的发光强度与辐射剂量之间的关系，这是通过适当的激发过程实现的。热释光（TL）和光致发光（OSL）技术是基于热激发和光激发原理的基本被动剂量测量方法，广泛应用于个人、环境、回顾性和事故剂量测量等领域[1]、[2]。光致发光受陷阱中心的数量、稳定性和光学可访问性的影响，其性能受到陷阱深度分布、复合路径和储存电荷的热稳定性的强烈影响，这一点在近期文献中有全面综述[3]。

在基于发光的剂量测量中，晶体结构中的缺陷中心起着核心作用。当绝缘或半导体材料受到电离辐射时，电荷载体（电子和空穴）在带隙缺陷中被捕获，从而形成TL和OSL信号的基础。施加的热或光激发使捕获的电荷载体释放并在复合中心重新结合，产生发光。因此，测量的发光信号间接提供了关于电离辐射量的可靠信息[1]。

发光材料不仅对辐射剂量测量至关重要，而且在包括基于LED的照明、太阳能电池、储能磷光体和闪烁体在内的众多技术领域也具有重要意义，近年来人们对新型发光材料的开发兴趣日益增加[1]、[4]、[5]。在这些材料中，主晶格的发光可能无法满足所需性能。毫无疑问，改善主晶格发光性能的最有效方法是控制地向结构中掺杂过渡金属和/或镧系（Ln³⁺）离子。特别是Ln³⁺离子，由于其合适的氧化态和离子半径，可以很容易地整合到某些晶格中[6]、[7]。镧系离子作为有效的发光中心，可以为材料提供优异的光谱和能量存储性能。与简单氧化物相比，碱土硅酸盐具有相对复杂的晶体结构，因此最近引起了极大的兴趣，因为它们为镧系离子的掺入提供了多种晶体学位点[8]、[9]。

在碱土硅酸盐中，锶硅酸盐（SrSiO₃）在室温下表现出单斜（C2/c）晶体对称性，并且在高压下可以转变为立方钙钛矿相，这赋予了其良好的结构灵活性[10]。虽然SrSiO₃已知形成由SiO₄四面体和SrO₆多面体环组成的分层结构，但已有研究表明这种结构在掺杂后对局部对称性非常敏感[11]。晶体结构对掺杂离子的灵活性使得镧系离子可以以不同的配位方式掺入SrSiO₃磷光体中，从而在带隙内提供多种能级供有效利用。Eu³⁺掺杂的SrSiO₃磷光体中观察到的强橙红色发光清楚地表明，主晶格为Eu³⁺离子提供了合适的电子-声子相互作用环境[12]。另一方面，SrSiO₃作为具有高带隙（约3.2 – 3.4 eV）和低自发光背景的基质，在掺杂后既具有高激发性，又具有优异的色纯度[13]。最近的研究表明，SrSiO₃的发光可以通过Eu²⁺和Sm³⁺等离子进行调控，这为SrSiO₃硅酸盐作为能量存储、基于TL的辐射剂量测量和白色LED磷光体技术中的有前景的基质提供了可能性[13]、[14]、[15]、[16]。

由于掺杂会改变晶格中的电荷平衡、晶体场相互作用和电压，SrSiO₃的发光行为不仅取决于发光中心的类型，还取决于宿主晶格中的电荷平衡状态。在这方面，Nakamura及其同事的研究非常重要，因为它展示了SrSiO₃在Ce³⁺活性中心闪烁体应用中的潜力[17]。在这项研究中，评估了制备的Ce³⁺掺杂SrSiO₃透明陶瓷的形式以及5d–4f跃迁带来的宽带发射对闪烁响应的贡献。然而，单独在Sr²⁺位点上掺杂Ce³⁺会在系统中产生+1的电荷过剩，从而影响陷阱结构和能量传递过程。因此，文献中通过碱金属掺杂（Li⁺、Na⁺、K⁺等）解决了Ce³⁺离子向Sr²⁺非同构转变所引起的电荷补偿问题。我们之前的部分工作也展示了不同宿主中对碱金属离子进行电荷补偿的需求[18]、[19]。单价掺杂剂在Sr-O亚晶格中提供了电荷平衡机制，使Ce中心能够稳定地整合到晶体结构中，控制氧空位，并保持所需的闪烁效率[18]。因此，设计合适的电荷补偿策略以优化SrSiO₃:Ce系统，特别是对于闪烁、能量存储和剂量测量应用来说至关重要。

本研究评估了使用传统固态方法制备的Ce³⁺/Li⁺共掺杂SrSiO₃材料在发光和剂量测量应用中的潜力。利用X射线衍射（XRD）详细研究了掺杂和未掺杂样品的晶体结构和相纯度，同时利用扫描电子显微镜（SEM）表征了它们的形貌特性。使用TL、OSL和辐射发光（RL）方法解释了样品的发光特性，并系统地研究了掺杂元素及其浓度对发光信号的影响，以确定最佳的剂量测量材料。详细研究了剂量测量性能参数，包括剂量-响应、重复性和最终产品的衰减行为。

章节片段

SrSiO₃的合成

SrSiO₃粉末是通过高温固态反应方法合成的，使用的高纯度碳酸锶（SrCO₃，纯度≥99.9%（不含痕量金属），Merck）和二氧化硅（SiO₂，空心纳米颗粒，粒径500 nm，孔径20 ?，Merck）作为起始材料。合成反应如下：$\mathrm{SrC}{O}_3+\mathrm{Si}{O}_2\to \mathrm{SrSi}{O}_3+C{O}_2$

首先，将适量的SrCO₃和SiO₂在玛瑙研钵中充分混合，直至获得均匀的前驱体混合物。

X射线衍射

图1展示了在1300 °C下烧结5小时的未掺杂、Ce掺杂和Ce–Li共掺杂SrSiO₃粉末的X射线衍射（XRD）图案。XRD分析确认所有样品主要结晶为单斜晶系的SrSiO₃相，空间群为C12/c1，与ICDD参考卡片No. 98-005-9308一致。除了主要的SrSiO₃反射峰外，所有样品中还检测到对应于低含量SiO₂次要相的弱衍射峰。

结论

本研究证明，通过选择激活剂离子、电荷补偿剂和陷阱工程策略，可以设计出具有优异发光和剂量测量性能的SrSiO₃基陶瓷。结构分析证实，SrSiO₃基质为Ce³⁺离子提供了非常有利的主体结构，当保持适当的电荷平衡时，该系统可以转变为高效的OSL剂量计。

可以说，Ce³⁺掺杂可以在

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

Cukurova大学研究项目开发与协调部门通过FDK-2024-17036项目编号为这项研究提供了财政支持。我们感谢Cukurova大学校长的财政支持。