低成本水溶液法生长高性能 Cs3Cu2I5:Mn 单晶闪烁体

《The Innovation》：Low-cost aqueous-solution growth of high-performance Cs3Cu2I5:Mn single-crystal scintillators

　　制造方法决定了闪烁体材料的性能上限。最近，低成本水溶液生长技术的突破，使得人们能够制备出具有突破性性能的锰（Mn2?）掺杂碘化铜铯（Cs?Cu?I?）单晶闪烁体。据《先进材料》（2023）报道，经过精心控制的水溶液方法所得晶体，在铯-137（13?Cs）γ射线激发下具有高光产额，达到95,772光子/MeV，在662 keV处的能量分辨率高达3.79%。这些性能是在不使用高温炉或超高纯原料的情况下实现的，确立了水溶液生长法作为制造下一代辐射探测器的变革性方法。将高能光子或粒子转化为可见光的闪烁体在医学成像、核安全、高能物理和空间探索中不可或缺。几十年来，寻找"理想"闪烁体——即兼具高光产额、快闪烁响应、优异能量分辨率、低成本和良好稳定性的材料——一直是一项艰巨的挑战。商用闪烁体如铊活化碘化钠（NaI:Tl）和铊活化碘化铯（CsI:Tl）虽然光输出高，但闪烁响应有限；而高性能替代品如铈活化溴化镥（LaBr?:Ce）则价格昂贵且易吸湿。铜基卤化物碘化铜铯（Cs?Cu?I?）近年来因其高光致发光量子产率、大斯托克斯位移和良好的空气稳定性而备受关注。然而，关键问题是如何可靠且经济地大规模制造这些材料。答案在于生长方法本身。传统的熔体基技术如布里奇曼法需要超高纯原料、高温炉和精确的气氛控制，这大大推高了成本并限制了晶体质量。相比之下，姚等人开发的水溶液方法在温和温度（60°C–70°C）下运行，使用廉价且市售的试剂。关键创新在于溶剂体系：碘化氢和次磷酸的混合溶液（HI:H?PO? = 4:1）创造了一个强还原环境，防止了Cu?和I?的氧化——这是铜卤化物晶体生长中长期面临的挑战。此外，生长装置采用受控旋转（溶解时60 rpm，缓慢冷却期间保持旋转）以确保均匀混合和温度均匀分布。这一精心设计的化学体系结合机械搅拌，实现了大尺寸（高达10 × 10 × 20 mm3）、透明单晶的可重复生长，具有优异的结晶质量（图1）。图1 Mn掺杂碘化铜铯（Cs?Cu?I?）单晶闪烁体示意图左：在温度梯度（57°C–65°C）下采用种子控制晶体形成的低成本水溶液生长。右：高质量厘米级碘化铜铯（Cs?Cu?I?）:Mn晶体闪烁体。水溶液方法在性能和成本之间提供了令人信服的平衡。姚等人证明，溶液生长的未掺杂碘化铜铯（Cs?Cu?I?）单晶实现了约32,700光子/MeV的光产额和662 keV处4.43%的能量分辨率，与已建立的布里奇曼法生长的晶体相当。在此基础上，研究人员引入了微量锰掺杂（约18.6 ppm）以进一步提升性能。这种超低浓度的异价掺杂——得益于溶液方法均匀掺入杂质的能力——将光产额提升至95,772光子/MeV，并将662 keV处的能量分辨率改善至3.79%。因此，优化生长条件与微量掺杂之间的协同作用促成了这一突破性性能。所制备的碘化铜铯（Cs?Cu?I?）:Mn晶体保持了峰值在约445 nm的明亮蓝色发射，与标准光电倍增管和硅光电倍增器（SiPMs）良好匹配，并展现出优异的长期稳定性，在空气中3个月无潮解或降解。水溶液生长方法在性能指标之外还带来了实用的优势。该过程不需要高温炉，使用廉价的常用试剂，并在常压下运行——与传统熔体基技术相比，大幅降低了资本和设备运行成本。这种可扩展性和成本效益使碘化铜铯（Cs?Cu?I?）:Mn在辐射监测、安检筛查和核医学等领域具有广泛部署的前景。该材料的非吸湿特性以及不含有毒铅或铊的特点，进一步增强了其在野外可部署探测器中的应用吸引力。此外，与硅光电倍增器的有效光谱匹配（其生产近期在采用外延淬灭电阻技术方面取得了突破），创造了将低成本晶体生长与高性能光子探测相结合的强大探测器系统。尽管取得了这一显著进展，仍存在若干挑战。当前的晶体尺寸（厘米级）和生长产率需要进一步优化以满足工业化生产需求。微量锰掺杂如何在保持快速响应特性的同时增强闪烁光产额的确切机制仍在研究中；更深入的理解可能实现更优异的性能。然而，这项工作确立了一个清晰的范式：方法创新可以克服材料局限。《全国核技术应用产业高质量发展三年行动计划（2024–2026）》明确提出"突破大体积闪烁体探测器工程化"，为该技术规模化提供了直接的政策支持。通过证明高性能闪烁体可以源自低成本、溶液基制造工艺，本研究推进了我国在核探测领域的科技自立自强，并为全球可负担、高品质的辐射探测器开辟了新的途径。**资助与致谢**作者感谢所有为本研究做出贡献的同事。**利益声明**作者声明不存在利益冲突。