Li2MoO4晶体的坩埚下降法生长及其发光性能

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2024.0270

摘要/Abstract

摘要： 基于无中微子双β衰变低温辐射探测器的研究，本文研究了Li₂MoO₄晶体生长及发光性能。以市售Li₂MoO₄粉末为初始原料，采用水平区熔法提纯，随后通过坩埚下降法生长得到1英寸（1英寸=2.54 cm）Li₂MoO₄透明晶体。对晶体进行了物相分析与发光性能表征。X射线粉末衍射结果显示，晶体属于六方晶系，空间群为R3，晶胞参数为a=14.337 Å，b=14.337 Å，c=9.589 Å。电感耦合等离子体质谱表明提纯后生长的晶体Rb、Cs、Cu、Cr、Mn、Ni、Th和U杂质元素含量明显降低。差热分析表明Li₂MoO₄熔点为696 ℃。紫外-可见分光光度计显示，晶体透过率较高，最高可达86%，表明晶体光学质量高，杂质含量少。稳态与瞬态荧光光谱表明，在10~300 K，Li₂MoO₄晶体的变温荧光光谱与光致衰减时间随温度变化，荧光强度在10 K时达到最大，光致衰减时间则随温度降低而延长，10 K下的衰减时间为1 222.6 μs。晶体的活化能E_a为6.15 meV。研究表明Li₂MoO₄晶体在低温下具有良好的发光性能，在无中微子双β衰变研究中，特别是低温辐射探测器方面，具有重要应用价值。

关键词: 无中微子双β衰变; Li₂MoO₄晶体; 提纯; 坩埚下降法; 荧光光谱; 衰减时间

Abstract: In the research on cryogenic radiation detectors for neutrinoless double β decay， the growth and luminescence properties of Li₂MoO₄ crystals were studied. Commercially sourced Li₂MoO₄ powder was used as the starting material and was purified through the horizontal zone melting method. A 1 inch （1 inch=2.54 cm） transparent Li₂MoO₄ crystal was grown by Bridgman method. Phase analysis and luminescence property characterization were conducted on the crystal. X-ray powder diffraction reveals that the crystal belongs to the hexagonal system， with a space group of R3 and unit cell parameters a = 14.337 Å， b = 14.337 Å， and c = 9.589 Å. Inductively coupled plasma mass spectrometry shows that the contents of impurity elements Rb， Cs， Cu， Cr， Mn， Ni， Th and U in the crystals grown after purification were significantly reduced. Differential thermal analysis shows that its melting point is 696 ℃. The maximum optical transmittance， measured by ultraviolet-visible spectrophotometry， was found to reach 86%， indicating that the crystal has high optical quality and low impurity content. Steady-state and transient fluorescence spectra were measured， showing that the temperature-dependent fluorescence spectra and photoluminescence decay time of the Li₂MoO₄ crystal varied within the temperature range from 10 K to 300 K. It was observed that fluorescence intensity peaked at 10 K， while the photoluminescence decay time reduces with rising temperature， reaching 1 222.6 μs at 10 K. The activation energy E_a of the crystal is 6.15 meV. These findings suggest that the Li₂MoO₄ crystals grown by this method exhibit excellent luminescence properties at low temperatures， making them highly suitable for application in neutrinoless double β decay research， particularly in cryogenic radiation detectors.

Key words: neutrinoless double β decay; Li₂MoO₄ crystal; purification; Bridgman method; fluorescence spectrum; decay time

中图分类号:

O734

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图/表 8

图1 Li2MoO4晶体。（a）区熔法提纯Li2MoO4所得晶料；（b）未经提纯坩埚下降法生长的Li2MoO4单晶；（c）区熔提纯后坩埚下降法生长的Li2MoO4单晶

Fig.1 Li2MoO4 crystals. （a） Li2MoO4 crystals after zone refining purification；（b） Li2MoO4 single crystal grown by Bridgman method without purification；（c） Li2MoO4 single crystal grown by Bridgman method after zone refining purification

图2 Li2MoO4晶体结构图

Fig.2 Crystals structure of Li2MoO4

图3 Li2MoO4晶体的物相分析。（a）XRD图谱；（b）差热分析图谱

Fig.3 Phase analysis of Li2MoO4 crystals. （a） XRD pattern；（b） differential thermal analysis profile

表1 Li2MoO4的ICP-MS杂质元素含量

Table 1 Content of impurity elements in Li2MoO4 by ICP-MS

Sample	Content/（µg·kg^-1）
Sample	LMO-1	LMO-2	LMO-3	LMO-4
Na	<3.0×10⁴	<3.0×10⁴	<3.0×10⁴	<3.0×10⁴
Mg	<5.0×10³	<5.0×10³	<5.0×10³	<5.0×10³
Al	<1.0×10⁴	<1.0×10⁴	<1.0×10⁴	<1.0×10⁴
K	<4.0×10⁵	<4.0×10⁵	<4.0×10⁵	<4.0×10⁵
Ca	<2.0×10⁴	<2.0×10⁴	<2.0×10⁴	<2.0×10⁴
V	311.0	113.9	126.2	94.7
Cr	<6.0×10³	<6.0×10³	<5.0×10³	<5.0×10³
Mn	605.2	372.6	394.2	324.1
Fe	<3.0×10⁴	<3.0×10⁴	<2.0×10⁴	<8.0×10³
Co	171.3	167.6	118.8	62.4
Ni	603.5	361.8	342.2	247.7
Cu	<3.0×10³	<3.0×10³	<1.2×10³	951.6
Ga	125.7	58.5	39.9	37.5
Rb	<5.0×10³	1.1×10³	63.7	51.3
Ag	169.8	41.4	40.6	23.8
Sn	188.8	142.2	133.4	182.7
Te	217.8	226.2	108.5	139.7
Cs	<4.0×10⁴	<2.2×10³	<4.0×10³	859.0
Ba	3.0×10³	343.3	327.1	171.8
Pt	<150.0	<150.0	<150.0	<150.0
Tl	31.5	68.3	5.5	3.2
Pb	<330.0	<330.0	<330.0	<330.0
Bi	103.6	56.5	47.6	17.3
W	<1.0×10⁴	<1.0×10⁴	<1.0×10⁴	<1.0×10⁴
Ho	1.2	1.1	0.9	0.8
Th	6.6	5.9	5.0	4.5
U	16.7	11.3	8.1	6.8

图4 Li2MoO4晶体的透过特性相关曲线。（a）光学透过率曲线图；（b）光学带隙曲线

Fig.4 Curves related to the light-transmission characteristics of Li2MoO4 crystal. （a） Optical transmission curve diagram；（b） optical band gap curve

图5 Li2MoO4晶体10~300 K下的光学性能。（a）变温荧光光谱；（b）最大发光强度随温度的变化

Fig.5 Optical properties of Li2MoO4 crystal at 10~300 K. （a） Luminescence spectra at different temperatures；（b） maximal luminescence intensity as a function of temperatures

图6 发射光谱的积分强度与温度倒数的关系

Fig.6 Relationship between intensity of integrated luminescence spectrum and reciprocal temperature

图7 Li2MoO4晶体10~300 K下的发光强度曲线（a）及衰减时间随温度的变化（b）

Fig.7 Luminescence intensity curves of Li2MoO4 crystal at 10~300 K （a） and decay time with temperature （b）

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Li₂MoO₄晶体的坩埚下降法生长及其发光性能

Growth and Luminescence Properties of Li₂MoO₄ Crystal by Bridgman Method

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