科学网—中国科学院上海硅酸盐研究所李江团队：基于缺陷工程设计的Mg 2+掺杂LuAG:Ce闪烁陶瓷实现超高快成分占比-清华大学出版社学术期刊的博文
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2025-8-8 08:09
| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流
原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊
Cite this article:
Hu C, Zhu D, Wang Y, et al. Defect engineering in Mg 2+ co-doped LuAG:Ce ceramics: Towards ultrahigh fast scintillation proportion. Journal of Advanced Ceramics , 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221148
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2025.9221148
ResearchGate ： Defect engineering in Mg 2+ co-doped LuAG:Ce ceramics: Towards ultrahigh fast scintillation proportion
1 、 导读
未来高能物理能量前沿实验对闪烁材料提出了新的要求，即快时间响应、高辐照硬度以及没有慢发光。 LuAG:Ce 陶瓷作为高能物理实验用闪烁材料的优势已显现，但其存在由浅能级陷阱导致的慢发光。 近日，中国科学院上海硅酸盐研究所李江研究员团队，提出了一种缺陷工程策略，即高浓度 Mg 2+ 掺杂策略，以获得快分量占比达 99.8% 的 LuAG:Ce 闪烁陶瓷。这种提升闪烁性能的策略可以显著提升氧化物闪烁材料的快分量占比，为高性能闪烁材料的开发提供有效的参考与指导。
2 、 研究背景
闪烁材料是一类将高能射线转换为可见或者紫外光的材料，在高能物理和医学成像等领域有广泛应用。基于无机闪烁材料的高能物理电磁量能器具有优异的能量分辨率、位置分辨率、电子/光子甄别能力和重建效率。2020年，美国能源部高能物理基础研究需求报告指出，为了应对未来高能物理能量前沿的极端辐照环境，需要研发辐照硬度高的快闪烁体。作为近年来出现的一种新型的闪烁材料，铈掺杂的镥铝石榴石（Lu 3 Al 5 O 12 :Ce，LuAG:Ce）陶瓷闪烁体具有高阻止本领、高光产额、快衰减时间以及优异的抗辐照性能，非常有潜力应用于未来极端辐照环境的高能物理实验，如高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）和 未来环形对撞机（ FCC）实验等。但其仍存在一些缺点，比如材料中存在由于浅能级缺陷导致的慢发光。因此，如何消除LuAG:Ce闪烁陶瓷中的慢发光是当前的研究热点。
3 、文章亮点
（ 1 ）基于“缺陷工程”策略，设计高浓度 Mg 2+ 掺杂 LuAG:Ce 陶瓷，获得了快分量占比高达 99.8% 的闪烁陶瓷。
（ 2 ）在 LuAG:Ce 陶瓷中共掺杂二价 Mg 2+ 后，所有由浅能级陷阱导致的热释光峰强度均下降。
（ 3 ）采用第一性原理计算，揭示了 Mg 2+ 共掺杂策略在 LuAG:Ce 闪烁陶瓷中取得成功的内在机制。
4 、研究结果及结论
图 1 为不同 Mg 2+ 共掺杂浓度 LuAG:Ce,Mg 陶瓷的 XRD 图谱。所有衍射峰与 Lu 3 Al 5 O 12 标准卡片（ PDF#73-1368 ）吻合，且未检测出第二相。随着 Mg 2+ 浓度的增加，在 33 o 至 34.5 o 范围内的 2 θ 衍射峰呈现稍微向高角度移动的趋势。这说明发生了晶格收缩。这是由于 Mg 2+ 的离子半径（ 0.89 Å ）小于 Lu 3+ 的离子半径（ 0.98 Å ）导致的。
图 1 不同 Mg 2+ 共掺杂浓度 LuAG:Ce,Mg 陶瓷的 XRD 图谱
图 2 为不同 Mg 2+ 共掺杂浓度 LuAG:Ce,Mg 陶瓷的实物照片。 Mg 2+ 共掺杂浓度低于 0.03 at.% 的样品呈现出不均匀，即半透明的中间区域和透明的边缘区域。 Mg 2+ 共掺杂有助于提升陶瓷样品的均匀性。
图 2 不同 Mg 2+ 共掺杂浓度 LuAG:Ce,Mg 陶瓷的实物照片
图 3 为不同 Mg 2+ 共掺杂浓度 LuAG:Ce,Mg 陶瓷的直线透过率曲线和吸收光谱。 Mg 2+ 共掺杂浓度在 0.01 at.%-0.1 at.% 之间的样品呈现良好的透过率，其发射波长 520 nm 处直线透过率超 70% 。随着 Mg 2+ 共掺杂浓度的上升，样品的直线透过率呈现先增加后降低的趋势。 Mg 2+ 浓度为 0.05 at.% 和 0.1 at.% 的陶瓷样品的光学透过率最优。所有陶瓷样品都可以观察到位于 350 和 450 nm 的两个吸收峰，分别对应于 Ce 3+ 的 4f-5d 2 和 4f-5d 1 跃迁。在未掺杂 Mg 2+ 的陶瓷样品中， 200 nm~320 nm 的吸收带强度最弱，此吸收带对应于 Ce 4+ 的电荷转移态吸收（ CT ）。随着 Mg 2+ 浓度的上升， Ce 3+ 吸收带强度下降， Ce 4+ 吸收带强度增加，说明 Ce 4+ 与 Ce 3+ 浓度比上升。
图 3 不同 Mg 2+ 共掺杂浓度 LuAG:Ce,Mg 陶瓷的（ a ）直线透过率曲线和（ b ）吸收光谱
图 4 为不同 Mg 2+ 共掺杂浓度 LuAG:Ce,Mg 陶瓷的闪烁衰减曲线。随着 Mg 2+ 共掺杂浓度的上升，快成分占比由 36.0% 上升至 88.5% 。与此同时，快成分的衰减时间由 73.4 加速到 56.3 ns 。
图 4 不同 Mg 2+ 共掺杂浓度 LuAG:Ce,Mg 陶瓷的闪烁衰减曲线
表 1 为不同浓度 LuAG:Ce,Mg 陶瓷在不同成型时间下的光产额（ LY ）和能量分辨率（ ER ）、快总发光比（ F/T ）和有效衰减时间 τ eff 。 随着 Mg 2+ 共掺杂浓度的上升，有效衰减时间由 204 加速到 63 ns 。当 Mg 2+ 共掺杂浓度为 0.3 at.% 时，快总发光比达到 99.8% 。 X 射线激发发射强度随着 Mg 2+ 浓度上升显著下降， 0.5 µs 成型时间下的光产额随 Mg 2+ 浓度上升呈现先略微增加后略微下降的趋势。这一结果说明 X 射线激发发射强度的下降是由于慢分量被抑制导致的。光产额随 Mg 2+ 浓度变化的趋势可以解释为 Mg 2+ 共掺杂产生 Ce 4+ 的正面效果和产生 {Ce 3+ -Mg 2- } 对的负面效果的竞争所导致。当 Mg 2+ 浓度较低时， {Ce 3+ -Mg 2- } 对平均距离较长，因此其负面效果不显著；当 Mg 2+ 浓度较高时， {Ce 3+ -Mg 2- } 对负面效果增强，导致光产额下降。
表 1 不同 Mg 2+ 共掺杂浓度 LuAG:Ce,Mg 陶瓷的光产额（ LY ， ph/MeV ）、能量分辨率（ ER ， % ）、快总发光比和有效衰减时间（ ns ）
Mg 2+ /at.%
0.5
1
10
LY 0.5µs /LY 10µs
τ eff
0
15,700 (13.3)
17,900 (13.3)
25,200 (14.3)
62.3%
204
0.01
15,700 (14.5)
17,800 (14.0)
23,200 (15.3)
67.9%
189
0.03
16,600 (12.4)
18,600 (13.1)
23,800 (13.5)
69.7%
171
0.05
16,700 (14.6)
18,300 (14.4)
21,300 (15.7)
78.5%
108
0.1
15,900 (18.1)
16,700 (16.4)
17,600 (14.9)
90.3%
78
0.3
14,800 (14.6)
15,200 (15.3)
14,900 (13.6)
99.8%
63
为了深入研究慢分量抑制机理，所有 LuAG:Ce,Mg 陶瓷样品都测试了热释光。图 5 为测试的波长分辨热释光的等高线图，测试波长范围在 450 到 700 nm 之间，对应于 Ce 3+ 的 5d-4f 发射。随着 Mg 2+ 浓度上升热释光强度显著下降。
图 5 不同 Mg 2+ 共掺杂浓度 LuAG:Ce,Mg 陶瓷的波长分辨热释光等高线图
图 6 为不同 Mg 2+ 共掺杂浓度 LuAG:Ce,Mg 陶瓷的低温热释光发光曲线。所有样品均显示了 115 、 150 、 240 、 290 和 325 K 的热释光峰。其中 115 和 150 K 的热释光峰为反位缺陷相关的陷阱。随着 Mg 2+ 浓度的上升，热释光峰呈现出显著的下降趋势。 Mg 2+ 共掺杂浓度为 0.1 at.% 和 0.3 at.% 的 LuAG:Ce 陶瓷样品的热释光强度太弱，以至于无法检测。热释光的结果与慢分量抑制的效应相吻合。
图 6 不同 Mg 2+ 共掺杂浓度 LuAG:Ce,Mg 陶瓷的热释光发光曲线
为了解释 Mg 2+ 共掺杂 LuAG:Ce 闪烁陶瓷的光产额略微下降，采用第一性原理计算了 LuAG:Ce 、 LuAG:Ce,Mg 和 LuAG:Ce,Ca 的激发态。图 7 为这三种材料的激发态和基态的差分电荷密度。为了简化计算过程，共掺杂离子被认为取代 Ce 3+ 周边最近邻 Lu 3+ 格位。非常有意思的是 LuAG:Ce 和 LuAG:Ce,Mg 的电荷密度的变化局域在 Ce 离子周边，说明它们中的 Ce 是非常有效的发射中心。然而对于 Ca 2+ 共掺杂的 LuAG:Ce ，电荷密度离散至周边的氧原子，说明发生了 Ce 的发射淬灭。
图 7 （ a ） LuAG:Ce 、（ b ） LuAG:Ce,Mg 和（ c ） LuAG:Ce,Ca 的基态 - 激发态差分电荷密度。蓝色区域代表电子损失，黄色区域代表电子聚集。
5 、作者及研究团队简介
胡辰（第一作者） ，男， 1990 年 11 月生，工学博士，中国科学院上海硅酸盐研究所副研究员， 2024 年入选上海市高层次人才计划。《无机材料学报》、《中国稀土学报》青年编委，欧洲核子中心工程师，美国 Mu2e-II 合作组成员。 2016 年 8 月至 2022 年 9 月在美国加州理工学院从事闪烁材料研究工作，合作导师朱人元教授。曾参与多项欧美大物理工程闪烁材料的研发测试工作，包括：美国 Mu2e 实验电磁量能器 CsI 晶体的筛选和质量控制，欧洲核子中心 CMS 桶部时间层升级 LYSO 晶体筛选工作，美国 Mu2e-II 实验电磁量能器 BaF 2 :Y 晶体预研，美国 DMMSC/MaRIE 工程超快闪烁体时间响应预研， RADiCAL 电磁量能器 LuAG:Ce 光纤闪烁体预研。先后 11 次受邀在 Mu2e 和 CERN 等合作组做关于探测器闪烁材料的专题研究报告。迄今在 Phys. Rev. Applied 、 Opt. Express 、 J. Adv. Ceram. 、 J. Am. Ceram. Soc. 等专业期刊发表学术论文 85 篇， H 因子 20 。授权发明专利 3 项。
李江（通讯作者） ，男， 1977 年 12 月生，工学博士，中国科学院上海硅酸盐研究所二级研究员，博士生导师，国家重点研发计划项目首席科学家。现任 Journal of Advanced Ceramics 、《无机材料学报》、 Journal of the American Ceramic Society 和 International Journal of Applied Ceramic Technology 等 4 个期刊的副主编（ Associate editor ），《现代技术陶瓷》、《人工晶体学报》、《功能材料与器件学报》等期刊的编委。目前主要从事稀土光功能透明陶瓷（包括：激光陶瓷、闪烁陶瓷、磁光陶瓷、荧光陶瓷、长余辉发光陶瓷等）、光学透明陶瓷（高折射镜头用透明陶瓷、光学窗口用透明陶瓷、半导体装备用高强度透明陶瓷等）的基础与应用研究。连续 4 年入选美国斯坦福大学发布的“终身科学影响力排行榜”（全球前 2% 顶尖科学家榜单）。受邀在国内外重要学术会议上作邀请报告 60 余次（ 20 余次担任分会主席）。以项目负责人承担国家及省部级项目 20 余项。迄今在国内外重要学术期刊上发表论文 476 篇；合著 / 译高学术专著 3 部；参与 2 部英文专著部分章节的撰写；申请中国发明专利 50 余项（其中授权 25 项）。
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
1 ） Han W, Hu C, Zhou Z, et al. Fabrication of Sm:LuAG transparent ceramics with different doping concentrations for cladding from co-precipitated nano-powders. Journal of Advanced Ceramics , 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221129
2 ） Li X, Hu C, Liu Q, et al. Fluoride transparent ceramics for solid-state lasers: A review. Journal of Advanced Ceramics , 2024, 13 (12): 1891-1918. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220986
3 ） Zhang L, Hu C, Li X, et al. Effect of Sc substitution on the phase composition, microstructure, and properties of (Tb 1− x Sc x ) 3 (Al 1− y Sc y ) 2 Al 3 O 12 transparent ceramics. Journal of Advanced Ceramics , 2024, 13(9): 1442-1452. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220948
4 ） Yang Y, Hu C, Liu Q, et al. Research progress and prospects of colored zirconia ceramics: A review. Journal of Advanced Ceramics , 2024, 13(10): 1505-1522. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220941
5 ） Zhang L, Hu D, Li X, et al. Effect of Y substitution on the microstructure, magneto-optical, and thermal properties of (Tb 1− x Y x ) 3 Al 5 O 12 transparent ceramics. Journal of Advanced Ceramics , 2024, 13(4): 529-538. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220875
6 ） Zhu D, Wu L, Beitlerova A, et al. Compositional regulation of multi-component GYGAG:Ce scintillation ceramics: Self-sintering-aid effect and afterglow suppression. Journal of Advanced Ceramics , 2023, 12(10): 1919-1929. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220797
7 ） Zhang L, Hu D, Snetkov IL, et al. A review on magneto-optical ceramics for Faraday isolators. Journal of Advanced Ceramics , 2023, 12(5): 873-915. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220742
8 ） Cheng Z, Liu X, Chen X, et al. Composition and luminescence properties of highly robust green-emitting LuAG:Ce/Al 2 O 3 composite phosphor ceramics for high-power solid-state lighting. Journal of Advanced Ceramics , 2023, 12(3): 625-633. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220710
9 ） Zhu, D., Nikl, M., Chewpraditkul, W. et al. Development and prospects of garnet ceramic scintillators: A review. J Adv Ceram 11 , 1825–1848 (2022). https://doi.org/10.1007/s40145-022-0660-9
10 ） CHEN P, LI X, TIAN F, et al. Fabrication, microstructure, and properties of 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) transparent ceramics. Journal of Advanced Ceramics , 2022, 11(7): 1153-1162. https://www.sciopen.com/article/10.1007/s40145-022-0602-6?issn=2226-4108
11 ） ZHANG L, LI X, HU D, et al. Fabrication and properties of non-stoichiometric Tb 2 (Hf 1– x Tb x ) 2 O 7– x magneto-optical ceramics. Journal of Advanced Ceramics , 2022, 11(5): 784-793. https://www.sciopen.com/article/10.1007/s40145-022-0571-9
12 ） LIU X, QIAN X, ZHENG P, et al. Composition and structure design of three-layered composite phosphors for high color rendering chip-on-board light-emitting diode devices. Journal of Advanced Ceramics , 2021, 10(4): 729-740. https://www.sciopen.com/article/10.1007/s40145-021-0467-0
13 ） LI X, SNETKOV IL, YAKOVLEV A, et al. Fabrication and performance evaluation of novel transparent ceramics RE:Tb 3 Ga 5 O 12 (RE = Pr, Tm, Dy) toward magneto-optical application. Journal of Advanced Ceramics , 2021, 10(2): 271-278. https://www.sciopen.com/article/10.1007/s40145-020-0437-y
14 ） LIU Z, TOCI G, PIRRI A, et al. Fabrication, microstructures, and optical properties of Yb:Lu 2 O 3 laser ceramics from co-precipitated nano-powders. Journal of Advanced Ceramics , 2020, 9(6): 674-682. https://www.sciopen.com/article/10.1007/s40145-020-0403-8
《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介
《先进陶瓷（英文）》 于 2012 年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版， 清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室 提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 等数据库收录。现为月刊， 2024 年发文量为 174 篇； 2025 年 6 月发布的影响因子为 16.6 ，连续 5 年位列 Web of Science 核心合集“材料科学，陶瓷”学科 33 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目； 2025 年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学 1 区 Top 期刊。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
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期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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