Sm3+掺杂铝酸锶荧光粉的γ辐照效应及其在剂量计与LED应用中的性能研究

本研究针对辐射剂量监测和LED照明的材料需求，通过固相反应法合成Sm3+掺杂SrAl2O4荧光粉，系统分析了其结构、光学及热释光特性。结果表明，该材料在0.9 mol%掺杂浓度下呈现单斜晶系结构，发射峰位于562/599/645 nm，CIE坐标(0.574,0.424)适用于橙红光LED；同时在线性剂量响应范围(5-25 Gy)内表现出优异的热释光灵敏度，揭示其作为双功能材料（辐射剂量计与发光器件）的潜力。

　　

【研究背景】
在辐射防护和光电材料领域，开发兼具高灵敏度辐射探测与高效发光性能的材料一直是研究热点。传统剂量计材料如LiF:Mg,Ti（TLD-100）虽广泛应用，但其灵敏度有限且制备成本高；而商用LED用荧光粉普遍缺乏辐射响应特性。铝酸锶(SrAl₂O₄)因其长余辉特性被广泛研究，但稀土元素Sm³⁺掺杂对其剂量学性能的影响尚未深入探索。

【研究设计与方法】
研究人员采用固相反应法合成不同Sm³⁺浓度(0-1.5 mol%)的SrAl₂O₄荧光粉，通过X射线衍射(XRD)和Rietveld精修分析晶体结构，扫描电镜(SEM)观察形貌，傅里叶变换红外光谱(FTIR)鉴定官能团，紫外-可见漫反射(DRS)测定带隙，荧光光谱仪测试光致发光特性，并利用热释光(TL)读数器研究γ辐照(3-500 Gy)后的剂量响应。

【主要结果】

1. 晶体结构分析
   XRD证实所有样品均为单斜晶系(P2₁/m空间群)，Sm³⁺掺杂未改变基质结构。Rietveld精修显示0.9 mol%样品的晶胞参数a=8.4484 ?，可靠性因子R_wp=6.73%。离子半径差计算(18.81%)表明Sm³⁺优先占据Sr²⁺位点。

2. 光学性能
   在403 nm激发下，荧光粉呈现562 nm(⁴G_5/2→⁶H_9/2)、599 nm(⁴G_5/2→⁶H_7/2)和645 nm(⁴G_5/2→⁶H_5/2)特征发射。0.9 mol%样品CIE坐标(0.574,0.424)与商用琥珀色LED(NSPAR 70BS)接近，色纯度达99%。浓度淬灭分析揭示临界转移距离R_C=27.31 ?，主导机制为偶极-偶极相互作用(Q=2.43)。

3. 剂量学特性
   TL曲线显示三个陷阱中心(472-577 K)，活化能1.00-1.22 eV。在3-25 Gy范围内呈现线性响应(R²=0.993)，灵敏度达1.8×10⁶ counts·g^-1·Gy^-1，最低检测限0.67 mGy。10 Gy辐照时陷阱寿命最长(1271年)，表明深陷阱占主导。

【结论与意义】
该研究首次系统阐明了Sm³⁺掺杂对SrAl₂O₄双功能性能的调控机制：光学方面通过4f-4f跃迁实现高色纯度橙红光发射(CRI=41)；剂量学方面通过引入Sm³⁺相关陷阱中心获得宽线性响应范围。这种"一材双用"特性使其在辐射安全监测与固态照明领域具有重要应用价值，为开发新型智能传感材料提供了新思路。论文发表于光化学领域权威期刊《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》。