B共掺杂对Lu3Al5O12:Pr材料缺陷及闪烁特性的影响：第一性原理计算与实验测量

《Optical Materials》：Effects of B-codoping on defects and scintillation properties of Lu3Al5O12:Pr: First-principles calculation and experimental measurement

　　

李明清|郑翔|赵书文|薛忠军|丁东洲|冯贺

上海大学材料科学与工程学院，200444上海，中国

摘要

Lu₃Al₅O₁₂:Pr（LuAG:Pr）是一种极具前景的闪烁体材料，因其高密度、快速的闪烁衰减和稳定的物理化学性质而受到关注。然而，从高温熔体中生长出的LuAG:Pr单晶通常含有大量的反位缺陷。这些缺陷可能导致光输出降低，并在衰减过程中引入慢速成分。在本研究中，通过密度泛函理论计算分析了LuAG:Pr中的缺陷结构。研究发现，反位缺陷倾向于在发光的Pr离子附近聚集。这些缺陷会对导带中的激发电子产生捕获效应，从而延缓载流子的传输。硼可以占据LuAG中的四面体位点，有效抑制反位缺陷的形成。基于这些结果，我们采用光浮区法生长了掺硼的LuAG:Pr单晶，并对其发光和闪烁性能进行了表征。在低硼浓度下，平均衰减时间从141纳秒缩短至125纳秒，余辉强度也有所降低，这主要是由于反位缺陷的部分抑制作用。但在较高硼掺杂浓度下，闪烁衰减时间和余辉性能均有所恶化，这可能是由于掺入的硼引入了其他深陷阱所致。

引言

闪烁体是辐射检测的重要材料，广泛应用于核医学成像、安全筛查、工业无损检测以及油气资源勘探等领域[1]、[2]。为了提高辐射探测器的整体性能，研究人员一直在寻找具有更高密度、更大光输出和更短衰减时间的闪烁体材料。Lu₃Al₅O₁₂（LuAG）因其高密度（>6.67 g/cm³）、较大的有效原子序数（Z_eff = 63）、高光学透射率以及优异的物理化学稳定性而被视为理想的闪烁体材料[3]。

掺Ce的LuAG具有高达26000 ph/MeV的光输出，快速闪烁衰减时间为60纳秒（76%），能量分辨率为6.7%[4]、[5]。相比之下，掺Pr的LuAG光输出为19000 ph/MeV，快速衰减组分为20纳秒，能量分辨率为4.6%[6]。然而，从高温熔体中生长出的LuAG晶体含有大量的反位缺陷（Lu_Al）[7]。这些缺陷在带隙内引入了浅陷阱，捕获载流子并延迟了从基体到发光中心的能量传递[8]、[9]。因此，在闪烁衰减过程中会出现一个慢速组分（>400纳秒）。LuAG具有立方石榴石结构，其晶格中富含阳离子位点，有利于离子掺杂。离子共掺杂是一种有效的策略，可用于调控石榴石晶体中的缺陷结构，这种方法被称为“缺陷工程”[3]、[10]。Greta Inkrataite等人发现，将硼掺入YAG:Ce和LuAG:Ce陶瓷中可以增强发光强度并加速衰减速率[11]。Camera Foster等人采用Czochralski法生长了掺硼的LuAG:Ce单晶，并证明硼掺杂使光输出增加了约10%，同时缩短了闪烁衰减时间[12]。Samuel B. Donnald等人合成了掺硼的GGAG:Ce单晶，发现硼减少了低温下的载流子陷阱，从而提高了能量传递效率，使光输出增加了约10.3%[13]。

已有研究表明，硼掺杂可以改善各种石榴石结构闪烁体的性能，但其作用机制尚不明确。为此，本研究采用密度泛函理论（DFT）计算评估了硼掺杂对LuAG缺陷结构的影响。随后，使用光浮区法生长了掺硼的LuAG:Pr单晶，并对其发光和闪烁性能进行了表征。

章节摘录

实验方法

密度泛函理论（DFT）计算使用Vienna Ab initio Simulation Package（VASP）[14]、[15]、[16]进行，采用了投影增强平面波赝势（PAW）[17]和PBE交换相关泛函[19]。所有缺陷都在2×2×2的超胞（160个原子）中进行了建模。为了准确定位Pr 4f能级在带隙中的位置，对Pr 4f轨道采用了DFT+U方法（U_eff = 2 eV）。激发态的空间分布

缺陷结构计算

LuAG具有立方石榴石结构，空间群为Ia-3d。其晶格包含三种不同的阳离子位点，配位数分别为8、6和4，如图1所示。在原始LuAG晶格中，8配位的位点由Lu³⁺离子占据，而6配位和4配位的位点由Al³⁺离子占据。在构建DFT计算的输入结构时，我们考虑了以下情况：发光的Pr³⁺离子占据8配位的位点

结论

本研究利用DFT计算分析了LuAG中的缺陷结构。结果表明，用较大的Pr³⁺离子替换较小的Lu³⁺离子会导致局部晶格畸变。在这些畸变区域，反位缺陷的形成能降低，从而增加了这类缺陷的浓度。这些反位缺陷会捕获激发态电子，从而对闪烁性能产生不利影响。另一方面，掺入

CRediT作者贡献声明

赵书文：负责监督和资源调配。郑翔：负责资金获取和正式分析。李明清：负责撰写初稿、开展研究和概念构思。冯贺：负责资源管理和项目协调。丁东洲：负责撰写、审稿和编辑工作以及资源调配。薛忠军：负责方法设计和数据管理

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

国家自然科学基金（项目编号：12275347、12505217、U2530205）和上海东方人才计划（项目编号：BJKJ2025007）的支持。