真空紫外VUV光譜

1、真空紫外(VUV)光譜 在發(fā)光材料中的應(yīng)用國家同步輻射實驗室1VUV激發(fā)物理與固體能態(tài)研究寬禁帶半導(dǎo)體中受激發(fā)光（如ZnO）寬禁帶絕緣體的電子態(tài)（如CeF3、PbWO4、BaFBr:Eu）稀土離子的高激發(fā)態(tài)（GdLiF4:Eu）內(nèi)層芯電子的激發(fā)（BaF2型）2 新型閃爍體研究進展BaF2 BaF2:Ce CeF3 PbWO4 Lu2SiO5:Ce3 閃爍體的發(fā)展受高能物理與核醫(yī)學(xué)發(fā)展的驅(qū)使引言、4HEP閃爍體的基本要求: 高密度 ( 6g/cm3) 高效率 ( 10ph/MeV) 快衰減 ( 106rad) 低成本 ( 2$/cm3)56BaF2用于超級超導(dǎo)對撞機SSC78醫(yī)用閃爍體的應(yīng)用 X

2、-ray CT PETX射線閃爍體的主要特性9計算機斷層掃描（CT）的優(yōu)點 CT的工作原理 10正電子發(fā)射斷層掃描（PET）工作原理閃爍體特性11發(fā)光機理 BaF2快發(fā)光的起源 CeF3發(fā)光中的能量損失通道 PWO的發(fā)光中心與動力學(xué)特性 GSO:Ce, LSO:Ce中的能量傳遞121314Fig. 1 Emission spectra of CeF3 crystal under VUV excitation at 6K (a) and 454K (b).Fig. 2 Emission spectra of CeF3 at low temperature (33-230K) with 365nm

3、 excitation.15不同溫度下CeF3晶體發(fā)光的激發(fā)譜CeF3晶體發(fā)光(340nm)的衰減曲線(T=350K)結(jié)果表明：290nm中心-340nm中心,Ce3+ 受缺陷干擾的Ce3+的能量傳遞16 PWO在4-150eV的激發(fā)譜 (400nm發(fā)射)17The temperature dependence of luminescence intensity at 430nm and 510nm excited by 82nm SR, the dash lines are fitting curves of the two components of blueband.PWO發(fā)光 的 強溫

4、度猝滅(三個量級)18(a) Pb-O 配位層EXAFS 函數(shù) (b) W-O 配位層EXAFS函數(shù)點線：實驗結(jié)果；實線：擬合結(jié)果擬合結(jié)果1920PbWO4發(fā)光中心 的 觀點： 藍帶 （430nm帶），WO42-, Pb2+, 束縛激子 綠帶 （520nm帶），“WO3+F”，“WO42-+Oi” 紅帶 （610nm帶），VO， Pb3+“WO42-+Oi”綠光中心的主要依據(jù)： 實驗理論微結(jié)構(gòu)（發(fā)射光譜） （能隙計算） （EXAFS）21Emission spectra of Ce3+ in the GSO:Ce under excitation with 189nm above RT: a)

5、372K, b)453K2223LSO:Ce發(fā)光的激發(fā)譜UV區(qū)有溫度猝滅，VUV區(qū)無溫度猝滅24單晶微晶VUV（178 nm）激發(fā)下LSO:Ce發(fā)光的溫度依賴（隨溫度升高，略有增強）。25單晶微晶VUV（178nm）激發(fā)下LSO:Ce發(fā)光衰減的溫度依賴26VUV和UV激發(fā)下發(fā)光過程的示意圖VUV激發(fā)基質(zhì)激發(fā) + 載流子傳輸 + 發(fā)射UV激發(fā) 發(fā)光中心直接激發(fā) + 發(fā)射273. 提出了PbWO4綠光中心的新觀點，可能是“WO42-+Oi”（富氧），而不是“WO3+F”（缺氧）主要進展：1. 研究了BaF2型快發(fā)光的起源2. 發(fā)現(xiàn)了CeF3閃爍體的級聯(lián)能量傳遞4. GSO:Ce, LSO:Ce在V

6、UV-UV激發(fā)下發(fā)光的溫度效應(yīng)28納米發(fā)光材料納米ZnS:Mn-高量子效率,快發(fā)光衰減 ms 10ns (縮短5個量級),具有反常特點(已被否定) 現(xiàn)研究的納米材料: (1) 紫外激光: ZnO薄膜, ZnO顆粒(即其摻雜） (2)高效紅光:Y2O3:Eu, Y2SiO5:Eu, Gd2SiO5:Eu (3)高效快閃爍體: Y2SiO5:Ce, Gd2SiO5:Ce (降低生成溫度,熔點1600C , 2000C)29納米ZnO紫外激光材料國際前沿的新熱點 極強的商業(yè)背景1997, Science ”Will UV Lasers Beat the Blues”, 日本,香港1998, PRL(

7、Cao H.), 納米份體中觀察到 UV激光1999, 在美國召開首屆國際ZnO專題會2001, Science等報導(dǎo): 納米線,帶,棒 極強的自組裝特性30Several special structure of ZnO: (a)nanobelt,(b)tetrapod-like crystals, (c)nanorods and (d)nanowires31Two different models of light amplification for (a)random system. and (b)order system. (a)(b)32納米結(jié)構(gòu)ZnO薄膜的UV激光發(fā)射 閾值240k

8、wcm-233Powder!ZnO納米顆粒( 50nm)的UV激光發(fā)射34六角形結(jié)構(gòu)(nm)晶面構(gòu)成諧振腔 LasingZnO薄膜的微觀結(jié)構(gòu)35直流濺射法制備ZnO薄膜的AFM圖36ZnO薄膜發(fā)光 UV帶源于激子發(fā)光(本征); 綠帶源于缺陷37UV帶隨激發(fā)密度超線性增長綠帶是亞線性增長38 Fig.1 Emission spectra of ZnO film at different temperature, ex=195nmFig.2 Integrated intensities of 290 and 380 nm emission peaks at different temperatur

9、esFig.3 Suggested band structure of ZnO film39發(fā)射譜（ ex=195nm ）(a)： time-integrated(b)： fast time window (4-8ns) (c)： slow time window (20-160ns)abcZnO薄膜290、380nm發(fā)射的激發(fā)譜（T = 7K）。40Muffin-tin（FP-LMTO）方法計算所得ZnO價帶的電子總態(tài)密度和Zn 4s，O 2p（三種不同取向軌道）左圖，以及Zn 3d（五種不同取向軌道）的分態(tài)密度分布右圖。41ZnO的能帶結(jié)構(gòu)及其光躍遷示意圖42Fig. 2. Decay spectra of 290nm at 13K, 90K and 130K. ex=195nm.43ZnO單晶發(fā)光(無Lasing,上圖); 薄膜發(fā)光(Lasing,下圖)美國Wake Forest 大學(xué)測試結(jié)果44ZnO單晶與薄膜(USTC)的時間分辨光譜45ZnO薄膜樣品(硅襯底，石英襯底)46結(jié)