CsPbBr3钙钛矿量子点闪烁体的X射线辐照稳定性

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0064

人工晶体学报 ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (7): 1265-1271.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0064

CsPbBr₃钙钛矿量子点闪烁体的X射线辐照稳定性

杨智¹(), 顾林园¹, 王大伟²^,³, 徐旭辉², 宋继中¹

^1.郑州大学物理学院，郑州 450051
^2.昆明理工大学材料科学与工程学院，昆明 650093
^3.云南省第一人民医院，昆明 650034

收稿日期:2025-04-01 出版日期:2025-07-20 发布日期:2025-07-30
作者简介:杨智（1988—），男，山西省人，博士，副研究员。E-mail：yanzh029@163.com，郑州大学物理学院，副研究员。研究方向为新型卤化物闪烁体的性能调控、加工制造及X射线成像应用。主持国家自然科学基金青年项目、国防科技重点实验室基金、中国博士后基金等项目5项，作为骨干成员参与了科技部重点研发计划2项。荣获陕西省自然科学二等奖（2/6），陕西省第十四届自然科学优秀学术论文（1/9）。发表论文70余篇，相关论文发表在国际材料学顶级期刊Nature Communications、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Laser & Photonics Reviews等，相关成果被SCI期刊累计引用3 000余次，其中3篇入选ESI高被引论文，授权中国发明专利4项。
基金资助:
国家自然科学基金(52272166);河南省自然科学基金(232300421214);河南省自然科学基金(242300421217)

X-Ray Radiation Stability of CsPbBr₃ Perovskite Quantum Dot Scintillators

YANG Zhi¹(), GU Linyuan¹, WANG Dawei²^,³, XU Xuhui², SONG Jizhong¹

^1.School of Physics，Zhengzhou University，Zhengzhou 450051，China
^2.College of Materials Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China
^3.The First People’s Hospital of Yunnan Provincial，Kunming 650034，China

Received:2025-04-01 Online:2025-07-20 Published:2025-07-30

摘要/Abstract

摘要： 在工业无损检测应用中，闪烁体需长期承受高剂量辐照，因此其辐照发光稳定性至关重要，准确的辐照稳定性评估对于预测闪烁体寿命及分析性能衰减规律具有重要的工程价值。CsPbBr₃钙钛矿量子点闪烁体以其高辐射硬度、强X射线阻止能力、纳秒发光时间、低温合成工艺、可大面积及柔性制造等优异的性能而备受关注。本研究通过固相热成型工艺制造了CsPbBr₃量子点闪烁体，形貌分析表明量子点均匀地分散于聚合物基质中。当量子点固含量（质量分数）为2%时，闪烁体呈现透明的亮绿色，X射线吸收率为6%；当固含量增至20%时，闪烁体变为不透明的亮黄色，X射线吸收率提升至54%。考虑量子点闪烁体的实际X射线吸收，在10 kGy的X射线辐照剂量下，CsPbBr₃量子点闪烁体仍表现出优异的辐照稳定性，主要归因于位移损伤引入的浅能级缺陷态及电离损伤产生的寄生电场对CsPbBr₃量子点辐射复合发光的影响较小。本研究表明CsPbBr₃量子点闪烁体在长期运行的X射线检测领域具有潜在的应用价值。

关键词: CsPbBr₃; 钙钛矿量子点; 闪烁体; X射线; 辐照稳定性

Abstract: Scintillators maintaining prolonged luminescence stability under high-dose irradiation is important for industrial nondestructive testing applications. Consequently， precisely evaluate the irradiation stability carries substantial engineering significance in both predicting scintillator lifespan and deciphering performance degradation mechanisms. CsPbBr₃ perovskite quantum dot （QD） scintillators have garnered significant attentions due to their outstanding properties， including high radiation hardness， strong X-ray stopping power， nanosecond-scale emission time， low-temperature synthesis， and large-area and flexible manufacturing. Here， CsPbBr₃ QD scintillators are fabricated via a solid-phase thermoforming technique. The QDs are uniformly dispersed within a polymer matrix observed by the morphology characterization. When QD weight fraction is 2%， the scintillator exhibits a transparent bright green appearance with an X-ray absorption efficiency of 6%. When the weight fraction increases to 20%， the scintillator turns opaque and bright yellow， with the X-ray absorption efficiency rising to 54%. Moreover， under an X-ray irradiation dose of 10 kGy based on the actual X-ray absorption， the CsPbBr₃ QD scintillator maintains unchanged radioluminescence （RL） spectra. This excellent irradiation stability results from that the shallow defect states introduced by displacement damage and the parasitic electric fields generated by ionization damage have minimal impacts on the radiative recombination luminescence of CsPbBr₃ QDs. This work highlights the potential application of CsPbBr₃ QD scintillators in the long-term X-ray detection.

Key words: CsPbBr₃; perovskite quantum dot; scintillator; X-ray; irradiation stability

中图分类号:

TL812⁺.1

杨智, 顾林园, 王大伟, 徐旭辉, 宋继中. CsPbBr₃钙钛矿量子点闪烁体的X射线辐照稳定性[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(7): 1265-1271.

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图/表 7

图1 CsPbBr3量子点的结构与性能。（a）晶体结构；（b）CsPbBr3量子点与CsI（Tl）单晶闪烁体的性能对比雷达图

Fig.1 Structure and performance summary of CsPbBr3 QDs. （a） Crystal structure；（b） performance radar chart of CsPbBr3 QD and CsI（Tl） single crystal scintillators

图2 不同固含量CsPbBr3量子点闪烁体的表征。（a）实物照片；（b）TGA曲线；（c）TEM照片，插图是HRTEM照片

Fig.2 Characterization of CsPbBr3 QD scintillators with different weight fractions. （a） Photographs；（b） TGA curves；（c） TEM image， the inset is HRTEM image

图3 测试两种固含量CsPbBr3量子点闪烁体的吸收率

Fig.3 Absorption efficiency of CsPbBr3 QD scintillators with different weight fractions

图4 不同固含量CsPbBr3量子点闪烁体的性能。（a）计算的X射线消光效率与消光长度及量子点固含量的关系；（b）两种固含量闪烁体的RL光谱，插图是X射线激发闪烁体的发光照片，剂量率10 mGy/s，曝光时间5 s

Fig.4 Performances of CsPbBr3 QD scintillators with different weight fractions. （a） Calculated CsPbBr3 QDs weight fraction-dependent X-ray attenuation efficiency；（b） RL spectra of scintillators， insets are the photographs of samples excited under X-ray. The dose rate is 10 mGy/s and exposure time is 5 s

图5 两种闪烁体的X射线辐照稳定性。（a）20% CsPbBr3量子点闪烁体；（b）CsI（Tl）单晶闪烁体。插图是相应样品的辐照前、后光谱对比

Fig.5 X-ray irradiation stabilities of two scintillators. （a） 20% CsPbBr3 QD；（b） CsI（Tl） single crystal scintillators. Insets are the corresponding RL spectra of samples before and after X-ray irradiation

表1 CsPbBr3量子点闪烁体的X射线辐照稳定性总结

Table 1 Summary of the X-ray irradiation stability of CsPbBr3 QD scintillators

Sample	X-ray voltage/kV	Dose rate^①/（mGy·s^-1）	Dose/Gy	Remained RL intensity/%	Reference
Solution-process	50	0.018	0.13	100	［6］
Solution-process	—	8	80	95	［11］
Solution-process	30	1	3.6	100	［12］
Glass	50	0.189	680	100	［13］
Glass	80	—	—	Damage	［14］
Solid-phase	60	7.3	10⁴	96	This work

图6 X射线辐照前、后CsPbBr3量子点闪烁体的TRPL光谱。（a）典型TRPL谱；（b）荧光寿命的统计分析，每个样品测试10个点降低随机误差

Fig.6 TRPL spectra of CsPbBr3 QD scintillator before and after X-ray irradiation. （a） Typical TRPL spectra；（b） statistical analysis of PL lifetime. Ten positions is chosen for each samples to decrease the random errors

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CsPbBr₃钙钛矿量子点闪烁体的X射线辐照稳定性

X-Ray Radiation Stability of CsPbBr₃ Perovskite Quantum Dot Scintillators

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