新型ZnO:Ga單晶納米棒陣列X射線閃爍轉換屏研究

《新型ZnO:Ga單晶納米棒陣列X射線閃爍轉換屏研究》是依託同濟大學，由劉小林擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：新型ZnO:Ga單晶納米棒陣列X射線閃爍轉換屏研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉小林
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

超快、高空間解析度的高能X射線或粒子探測與成像的關鍵在於獲得兼備超快衰減時間、結構化閃爍轉換屏。緊扣國防科技、高能物理、核物理等領域的國家戰略需求，結合ZnO基材料所具備的亞納秒衰減時間、高光產額等突出優勢，我們率先提出以ZnO:Ga單晶納米棒陣列為對象，開展新型結構化高能X射線閃爍轉換屏的設計、製備及性能等相關基礎研究，為實現高能X射線（＞10 keV）的超快、高空間解析度探測與成像奠定基礎。研究中，在納米陣列結構的蒙特卡羅模擬設計與材料微結構的第一性原理計算等理論指導下，建立ZnO:Ga納米棒閃爍陣列的生長方法，獲得製備高閃爍性能ZnO:Ga陣列的最佳化條件。通過探索納米棒陣列結構、材料微結構與閃爍性能之間的內在關係，揭示它們對能量傳遞過程和閃爍性能影響的作用機理，研製出能基本滿足高能X射線探測與成像要求的大尺寸、亞納秒衰減時間、亞微米空間解析度閃爍轉換屏。

結題摘要

基於本項目的研究目標，開展了新型結構化高能X射線閃爍轉換屏的設計、製備及性能等研究。結合磁控濺射和水熱反應法，通過製備工藝探索與閃爍性能最佳化，研製出滿足高能X射線探測與成像要求的超快、高空間分辨ZnO基單晶納米棒陣列閃爍轉換屏，達到預期目標，很好地完成了本項目的研究任務。 針對高能X射線（＞10keV），採用GEANT4蒙特卡洛模擬，並綜合考慮樣品製備工藝因素，設計出性能優異的ZnO單晶納米棒陣列閃爍轉換屏。半徑500 nm、長10 µm的ZnO單晶納米棒所組成的陣列的空間解析度接近1 µm，為該轉換屏的製備提供了指導。 採用水熱反應法，在磁控濺射製備的ZnO種子層上生長出垂直襯底、緻密排列、20 μm厚的ZnO基（ZnO、ZnO:Ga和ZnO:In）單晶納米棒陣列。獲得了結合磁控濺射和水熱發應法製備該陣列的最佳化工藝參數，這對於製備高空間解析度ZnO基納米棒陣列閃爍轉換屏具有直接借鑑作用。 通過ZnO基單晶納米棒及其陣列閃爍轉換屏閃爍發光性能的研究，認識了納米棒缺陷的分布情況，為改善該閃爍轉換屏的性能提供了線索。採用氫氣退火處理，極大提高了轉換屏的紫外超快閃爍發光性能，同時抑制了其缺陷可見光發射，並獲得了相應最佳化工藝參數，為高性能ZnO基納米棒陣列超快閃爍轉換屏的製備奠定了基礎。 獲得了適用於高能X射線探測與成像的超快、高空間分辨陣列閃爍轉換屏，其性能指標達到：樣品直徑38 mm；陣列厚度18 μm（可用於能量大於10 keV的X射線）；亞納秒發光衰減時間；20 keV的X射線激發下，在上海光源X射線成像系統上的空間解析度優於1.0 μm，大大超過目前國際上已報導的數據。 總體來說，本項目的研究結果為高能X射線的超快、高空間解析度探測與成像奠定了堅實的基礎。