0维钙钛矿Cs3CdBr5的晶体生长与闪烁性能研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0039

摘要/Abstract

摘要： 本文使用坩埚下降法制备了?5 mm的Cs₃CdBr₅单晶，在晶锭锥部发现了CsBr包裹Cs₃CdBr₅形成的Cs₃CdBr₅-CsBr复合闪烁体。对晶体进行了物相分析，解释了复合闪烁体形成的原因，并对晶体进行了光致发光与X射线激发发光性能研究。Cs₃CdBr₅晶体属于四方晶系，空间群为I4/mcm，为0维钙钛矿结构。在荧光和X射线激发下，Cs₃CdBr₅单晶分别表现出374和365 nm弱发光，荧光激发发光衰减时间为0.4和16.6 ns，X射线激发发光衰减时间为15.9 ns，为Cs₃CdBr₅本征发光，存在自吸收。相同激发下，Cs₃CdBr₅-CsBr复合闪烁体均表现出相对更强的365 nm发光，荧光激发发光寿命为0.97和14.79 ns，X射线激发发光衰减时间为17 ns，并且在X射线激发下，还出现了发光峰值波长在438 nm的CsBr发光，贡献了亚毫秒级慢分量。Cs₃CdBr₅-CsBr复合闪烁体在²⁴¹Am源激发下，具有56.9%的能量分辨率和257 photons/MeV的光产额。良好的环境稳定性与特殊的0维钙钛矿结构使以Cs₃CdBr₅为基底的掺杂晶体有望成为具有实际应用价值的闪烁晶体。

关键词: Cs₃CdBr₅; Cs₃CdBr₅-CsBr复合闪烁体; 0维钙钛矿; 坩埚下降法; 自陷激子发光; 闪烁晶体

Abstract: The ?5 mm Cs₃CdBr₅ single crystals were grown using the Bridgman method， and Cs₃CdBr₅-CsBr composite scintillator were formed by CsBr encapsulating Cs₃CdBr₅ in the cone of the ingot. We conducted phase analysis on the crystal which explained the formation of composite scintillators， and investigated the photoluminescence and X-ray excited luminescence properties. The Cs₃CdBr₅ crystal belongs to the tetragonal crystal system with a space group of I4/mcm. It is of a 0-dimensional perovskite structure. The emission peaks of Cs₃CdBr₅ single crystal excited by fluorescence and X-ray are at 374 and 365 nm， respectively. The decay time of photoluminescence is 0.4 and 16.6 ns， while the decay time of X-ray excited luminescence is 15.9 ns， which is the intrinsic luminescence of Cs₃CdBr₅ with self-absorption. Under the same excitation， Cs₃CdBr₅-CsBr composite scintillators exhibit relatively stronger luminescence peaking at 365 nm， with photoluminescence decay time of 0.97 and 14.79 ns， X-ray excited luminescence decay time of 17 ns. There is luminescence of CsBr peaking at 438 nm under X-ray excitation， which contributes to sub-millisecond slow fraction. The Cs₃CdBr₅-CsBr composite scintillator exhibits an energy resolution of 56.9% and a light yield of 257 photons/MeV when excited by ²⁴¹Am source. The good environmental stability and special 0-dimensional perovskite structure make doped crystals based on Cs₃CdBr₅ promising scintillation crystals with practical application value.

Key words: Cs₃CdBr₅; Cs₃CdBr₅-CsBr composite scintillator; 0-dimensional perovskite; Bridgman method; self trapped exciton luminescence; scintillation crystal

中图分类号:

O734

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图/表 8

图1 Cs3CdBr5晶体样品照片

Fig.1 Photographs of Cs3CdBr5 crystal samples

图2 物相分析。（a）粉末XRD图谱；（b）晶体结构示意图

Fig.2 Phase analysis. （a） Powder XRD patterns；（b） crystal structure diagram

图3 晶体锥部平面部分的形貌与元素比例。（a）小范围晶体表面形貌与定点EDS选择区域；（b）小范围晶体表面Cd元素EDS扫描图像；（c）大范围晶体表面形貌；（d）定点EDS扫描结果

Fig.3 Morphology and elemental ratio of the planar part of the crystal cone. （a） Small scale crystal surface morphology and fixed-point EDS selection area；（b） EDS scanning image of Cd element on the surface of small-scale crystals；（c） large scale crystal surface morphology；（d） fixed point EDS scanning results

图 4 晶体柱体部分切片的形貌与元素分布

Fig.4 Morphology and element distribution of the sliced crystal column section

图 5 CsBr-CdBr2相图［18］

Fig.5 CsBr-CdBr2 phase diagram［18］

图6 光致发光光谱与寿命。（a）Cs3CdBr5晶体（样品2）与Cs3CdBr5-CsBr复合闪烁体（样品1）的荧光激发谱（虚线）和发射谱（实线）；（b） Cs3CdBr5晶体（样品2）与Cs3CdBr5-CsBr复合闪烁体（样品1）的荧光寿命

Fig.6 Photoluminescence spectra and lifetime. （a） Fluorescence excitation spectrum （dashed line） and emission spectrum （solid line） of Cs3CdBr5 crystal （sample 2） and Cs3CdBr5-CsBr composite scintillator （sample 1）；（b） fluorescence lifetime of Cs3CdBr5 crystal （sample 2） and Cs3CdBr5-CsBr composite scintillator （sample 2）

图 7 X射线激发发射光谱与寿命。（a） Cs3CdBr5（样品2）与Cs3CdBr5-CsBr（样品1）复合闪烁体的X射线激发发射谱；（b） Cs3CdBr5-CsBr复合闪烁体的脉冲X射线激发发光寿命；（c）Cs3CdBr5晶体的脉冲X射线激发发光寿命

Fig.7 X-ray excitation emission spectra and lifetime. （a） X-ray excitation emission spectra of Cs3CdBr5 （sample 2） and Cs3CdBr5-CsBr （sample 1） composite scintillator；（b） pulse X-ray excitation luminescence lifetime of Cs3CdBr5-CsBr composite scintillator；（c） pulse X-ray excitation luminescence lifetime of Cs3CdBr5 crystal

图8 Cs3CdBr5-CsBr的闪烁性能。（a） PMT-R2059的量子产率曲线与Cs3CdBr5-CsBr晶体的X射线激发发射谱；（b）241Am源激发下Cs3CdBr5∶CsBr复合闪烁体的多道能谱

Fig.8 Scintillation properties of Cs3CdBr5-CsBr. （a） Quantum yield curve of PMT-R2059 and XEL spectrum of Cs3CdBr5-CsBr crystal；（b） multi channel energy spectrum of Cs3CdBr5-CsBr composite scintillator excited by 241Am

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0维钙钛矿Cs₃CdBr₅的晶体生长与闪烁性能研究

Investigation of Crystal Growth and Scintillation Properties of 0-Dimensional Perovskite Cs₃CdBr₅

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