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人工晶体学报 ›› 2021, Vol. 50 ›› Issue (10): 1957-1962.

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Si4+共掺杂Yb∶YAG单晶生长和光谱特性研究

田瑞丰1,2, 张璐1,2, 潘明艳1, 齐红基1   

  1. 1.中国科学院上海光学精密机械研究所,上海 201800;
    2.中国科学院大学,北京 100049
  • 收稿日期:2021-09-09 出版日期:2021-10-15 发布日期:2021-11-24
  • 通讯作者: 潘明艳,博士,副研究员。E-mail:pmy@siom.ac.cn。齐红基,博士,研究员。E-mail:qhj@siom.ac.cn
  • 作者简介:田瑞丰(1994—),男,河南省人,博士研究生。E-mail:ruifengtian@siom.ac.cn。潘明艳(1989—),中国科学院上海光学精密机械研究所副研究员,硕士生导师。主要从事晶体材料体系设计与单晶生长研究。在超快闪烁晶体机理研究、石榴石单晶生长等方面做了大量工作并取得一系列进展。围绕晶体材料制备与闪烁性能研究在Chem Mater等国际期刊发表多篇论文。现任《人工晶体学报》《发光学报》青年编委。齐红基(1979—),中国科学院上海光学精密机械研究所研究员,博士生导师。2005年博士毕业后主要从事光功能材料研究,包括材料生长动力学模拟、单晶制备及性能表征、高能射线在材料内部传输及与材料的相互作用过程研究。2007年入选“上海市科技启明星”计划,2012年获得“中科院青年创新促进会”人才项目支持,2016年获得中科院创新交叉团队的项目支持。目前为上海光学精密机械研究所技术委员会委员,上海激光学会青年委员会委员,中国硅酸盐学会薄膜与涂层分会理事,《人工晶体学报》编委。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(52072183,52002386)

Growth and Spectral Properties of Si4+ Co-Doped Yb:YAG Single Crystal

TIAN Ruifeng1,2, ZHANG Lu1,2, PAN Mingyan1, QI Hongji1   

  1. 1. Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China;
    2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • Received:2021-09-09 Online:2021-10-15 Published:2021-11-24

摘要: 利用提拉法生长了Si4+共掺杂Yb∶YAG单晶,该晶体属于立方晶系,Oh10-Ia3d空间群。掺杂的Si4+没有改变YAG的晶体结构,但是影响了发光离子的价态。吸收光谱表明Si4+的引入使得Yb2+含量增多,这是由于Si4+引入了过量的电荷,为满足电价平衡,Yb3+转换为Yb2+。Yb2+的出现降低了Yb∶YAG的发光强度。稳态X射线激发发射光谱结果表明Si4+共掺杂Yb∶YAG晶体的发光强度是Yb∶YAG的63%,γ射线激发下的光产额降至原来的40%。此外,由于原料中含有多种Yb的同位素,Yb∶YAG除了可以被X射线、γ射线激发出荧光外,还可以与中子发生核反应产生带电粒子,进而引起次级反应产生荧光。荧光的产生仍然由Yb3+决定,因此,Si4+掺入也降低了中子探测灵敏度。

关键词: Si4+掺杂, Yb∶YAG晶体, 提拉法, 闪烁性能, 探测灵敏度

Abstract: The single crystals of Yb3+-doped and Si4+ co-doped Y3Al5O12 (YAG) were grown by the Czochralski method. Both crystals belong to the cubic system with the Oh10-Ia3d space group. The addition of Si4+ does not change their crystal structure, but changes the luminescent ions valent. The absorption spectrum manifests that the substitution of Al3+ by Si4+ leads to the transformation of Yb3+ to Yb2+ for the charge balance, and then reduces the luminous intensity of Yb:YAG. The X-ray and γ-ray excited luminescence (XEL) measurement shows that the luminous intensity of Si4+ co-doped Yb:YAG is about 63% and 40% of Yb:YAG, respectively. Additionally, because of the isotope of Yb, Yb:YAG can even be excited by neutrons with nuclear reaction, the charge particles cause secondary reactions to produce fluorescence. The fluorescence intensity is still determined by Yb3+, thus the sensitivity for neutron is also reduced by Si4+ co-doping.

Key words: Si4+ doping, Yb:YAG crystal, Czochralski method, scintillation property, detecting sensitivity

中图分类号: