同步辐射激发下CsI:Na晶体闪烁体的发光特性与等电子杂质能级结构研究

本研究针对CsI:Na闪烁体高余辉问题，通过同步辐射(SR)激发结合高分辨光谱技术，揭示了NaCs 等电子杂质(CII)对自陷激子(STE)和缺陷中心发光动力学的调控机制，为优化闪烁体性能提供了关键理论依据。

　　

在辐射探测和粒子物理领域，铯碘化钠(CsI:Na)晶体因其优异的闪烁性能备受关注。这种材料不仅具有高达NaI:Tl 85%的光产额，其宽发射谱(300-600 nm)还与常用光电倍增管(PMT)的敏感波段完美匹配。然而，CsI:Na晶体在实际应用中面临一个棘手问题——高达630 ns的衰减时间和显著余辉效应，这严重限制了其在高速计数场景下的表现。更令人困扰的是，传统研究对钠离子(Na⁺
)作为等电子杂质(Cation Isoelectronic Impurity, CII)的独特作用机制缺乏深入解析。

来自哈萨克斯坦科学委员会和波兰国家科学中心的研究团队在《Journal of Luminescence》发表重要成果。他们创新性地采用同步辐射(SR)激发结合时间分辨光谱技术，在8 K低温下系统研究了CsI:Na(0.3 at.%)晶体的发光特性。研究发现，Na_Cs
等电子杂质会形成非库仑势阱，显著改变自陷激子(STE)的弛豫路径：在5.63 eV激发下，观察到280 nm(σ带)和340 nm(π带)双发射峰，分别对应STE的"on-center"和"off-center"构型。通过三指数函数拟合衰减曲线，发现Na_Cs
杂质将快组分寿命缩短至1.5 ns，同时产生新的7.5 μs慢衰减通道。这些发现为理解CII调控发光动力学的物理机制提供了直接实验证据。

关键技术包括：1) 采用Bridgman法制备0.3 at.% Na掺杂CsI单晶；2) 利用同步辐射光源实现3.7-25 eV宽谱激发；3) 高分辨真空紫外(VUV)光谱解析电子跃迁；4) 时间相关单光子计数(TCSPC)测量纳秒级衰减动力学。

【PL emission spectra】在5.63 eV激发下，发射光谱呈现280 nm(4.43 eV)和340 nm(3.65 eV)双峰结构，分别对应STE的σ→σ和π→π跃迁。对数坐标显示Na_Cs
杂质在400-500 nm引入新发射带。

【PL excitation spectra】反射谱在5.5 eV处出现明显激子吸收边，而7.5 eV处的异常反射增强被证实与Na_Cs
诱导的带隙重整化有关。

【PL decay kinetics】STE的衰减呈现显著非指数特性：280 nm发射包含1.5 ns(37%)和16 ns(63%)双组分，而340 nm发射则需引入7.5 μs(15%)慢过程才能拟合，证实Na_Cs
形成了新的俘获能级。

【Discussion】研究提出创新机制：Na_Cs
作为CII会与V_K
空穴复合形成V_KA
中心，其非库仑势阱使激子束缚能增加0.15 eV。这种"激子-杂质"耦合效应解释了CsI:Na特有的双通道发光现象。

该研究首次系统阐明了Na_Cs
等电子杂质对CsI基质发光行为的调控规律，不仅为理解CII物理提供了范例，更指导了新型闪烁体的理性设计。正如通讯作者Yu Zorenko强调的，通过调控Na⁺
掺杂浓度和退火工艺，有望在保持高光产额的同时将余辉降低50%以上。这些发现对发展下一代高时间分辨辐射探测器具有重要指导价值。