eLight·封面 | 新一代闪烁体：稀土氟化物纳米晶

近日，中国计量大学雷磊副研究员，徐时清教授与美国纽约州立大学 Paras N. Prasad 教授合作，在卓越计划高起点新刊 eLight 上发表了题为“Next Generation Lanthanide Doped Nanoscintillators and Photon Converters”的综述文章。

1895 年，伦琴首次发现了 X 射线，为了探测这种不可见的高能射线，世界上第一种闪烁材料 CaWO₄ 于 1896 问世。经过一个多世纪的发展，多种商用闪烁体，如 CsI:Tl、CWO、 BGO、CsI:Na 等晶体，成功应用于医疗成像、行李安检、高能物理、工业无损检测以及天文观测等重要科技领域。

尽管如此，无机块状闪烁体仍然存在诸多技术瓶颈，比如苛刻的制备工艺、不易加工以及闪烁光谱调控难等。相比而言，稀土掺杂氟化物纳米晶具有诸多优势，比如简易的湿化学制备方法、易制备柔性闪烁屏与可调控闪烁光谱等，有望成为下一代新型闪烁材料。

图1：艺术效果图：结构设计与应用

闪烁光谱的宽幅调控

由于稀土离子具有丰富的能级结构，能够实现从深紫外到红外二区的闪烁发光（图2）。以氟化物纳米晶为基质，通过改变掺杂稀土激活离子的种类即可实现闪烁光谱的宽幅调控。

图2：三价稀土离子的部分跃迁

耀眼的超长余辉发光

在 X 射线激发下，稀土掺杂氟化物纳米晶表现出很强的超长余辉发光，有望应用于无源生物成像与光动力治疗。其次，结合闪烁发光与余辉发光，能够实现高分辨三维成像；结合余辉发光与上转换、下转移，能够实现时间依赖的颜色演变。

基于核壳结构的激发动力学调控

采用多层核壳结构，在氟化物纳米晶体系中能够同时实现上转换、下转移、闪烁发光和余辉发光，它们的发光机制具有显著的区别。通过改变激发条件（波长、功率与脉冲宽度等），能够实现稀土离子发光动力学过程的多模式调控（图3）。

图3：激发动力学调控示意图

稀土掺杂氟化物纳米晶闪烁体虽然展现出许多新颖的闪烁性能，但仍存在诸多需要解决的科学问题，比如如何通过剪裁纳米晶微结构提高光产额，如何针对不同的应用场景实现余辉强度的调控，以及如何实现具有超短衰减寿命的高效闪烁发光等。

为了更好地促进稀土掺杂氟化物纳米晶闪烁体的发展，本文介绍了闪烁体的发展历程与性能指标，进一步针对氟化物纳米晶闪烁体，多角度描述了其优点，阐明了稀土离子的闪烁发光与余辉发光机制，系统归纳了相关研究进展，提出了当前的挑战与潜在可行的研究方向。

| 论文信息 |

Lei, L., Wang, Y., Kuzmin, A. et al. Next generation lanthanide doped nanoscintillators and photon converters. eLight 2, 17 (2022). 

https://elight.springeropen.com/articles/10.1186/s43593-022-00024-0

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