碱土金属掺杂对Cs2 HfCl6 单晶发光与闪烁性能的影响机制研究

为解决新型闪烁体材料性能优化问题，研究人员通过碱土金属（AE）掺杂策略系统研究了Cs2 HfCl6 （CHC）单晶的发光与闪烁特性。研究发现，AE掺杂虽未引入新发光中心，但揭示了368-465 nm范围内四种发射峰（STE、缺陷、Zr/I相关）及其衰减时间（1.5-11 μs），光产额达34,000-37,000 ph/MeV。该研究为CHC闪烁体的性能优化提供了关键理论依据。

　　

研究背景与意义
在辐射探测领域，高性能闪烁体材料是实现高能粒子或光子高效转换的核心部件。近年来，具有本征自陷激子（Self-Trapped Exciton, STE）发光特性的材料因其无自吸收、高亮度等优势成为研究热点。其中，铪基氯化铯（Cs₂
HfCl₆
, CHC）凭借优异的光产额（54,000 ph/MeV）、出色的能量分辨率（2.8%@662 keV）及高辐射阻止能力（有效原子序数58），被视为新一代闪烁体的候选材料。然而，其性能优化面临关键挑战：碱土金属（Alkaline Earth, AE）掺杂虽在其他闪烁体（如LaBr₃
:Ce）中表现出增益效应，但在CHC中此前仅观察到性能退化（能量分辨率7.1-10.0%），且发光机制尚不明确。

为破解这一矛盾，中国科学院上海硅酸盐研究所等机构的研究人员通过改进晶体生长工艺，系统探究了Mg/Ca/Sr/Ba掺杂对CHC性能的影响，相关成果发表于《Radiation Measurements》。该研究不仅阐明了CHC的四种发光中心来源，更为其性能优化提供了理论指导。

关键技术方法
研究采用垂直布里奇曼法生长未掺杂及AE掺杂（0.2 at%）CHC单晶，原料经升华纯化以提升光学质量。通过X射线衍射（XRD）验证晶体结构，结合光致发光（PL）和辐射发光（RL）光谱分析发射特性，利用衰减时间测量和光产额测试（662 keV γ射线激发）评估闪烁性能。

研究结果

1. 晶体生长与结构表征
   XRD证实所有样品均为纯相CHC立方结构（PDF#32–0233），AE掺杂未引起晶格畸变。晶体透明度高，仅表面存在微量杂质。

2. 发光特性解析
   PL光谱显示四类发射峰：368 nm（STE发射，衰减1.5 μs）、383 nm（缺陷相关，5.5 μs）、435 nm（Zr相关，11 μs）和465 nm（I相关，2.3 μs）。AE掺杂未产生新发光中心，但可能通过电荷陷阱调控影响载流子复合路径。

3. 闪烁性能评估
   未掺杂与AE掺杂CHC的光产额相当（34,000-37,000 ph/MeV），能量分辨率3.5-4.1%。尽管AE掺杂未提升性能，但揭示了Zr/I杂质对发光的影响，为纯度控制提供方向。

结论与意义
该研究首次系统阐明了CHC中STE、缺陷及杂质（Zr/I）相关的多发光中心机制，确认AE掺杂主要通过调控电子陷阱而非创造新发光中心影响性能。虽然当前AE掺杂未实现性能突破，但通过优化晶体生长工艺（如原料纯化），为后续通过缺陷工程或共掺杂策略提升CHC性能奠定了理论基础。研究成果对开发高分辨率辐射探测器及国土安全应用具有重要参考价值。