第8卷第4期 现代应用物理 Vol.8,No.4 2017年12月 MODERN APPLIED PHYSICS Dec.2017 光子晶体闪烁体研究进展 欧阳晓平1，刘波2 (1.西北核技术研究所，西安710024：2.同济大学物理科学与工程学院 上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室，上海200092) 摘要：闪烁体是探测系统中的核心功能材料，对系统能力的提高起着至关重要的作用，然而 在应用中由于全内反射作用，导致大量闪烁光子被限制在晶体内部，无法出射，阻碍了探测效 率的进一步提升。光子晶体是一种奥型的微纳结构材料，可以实现对闪烁发光的调控，提高闪 烁体的光输出效率，控制发光的方向性。介绍了近年来国内外有关光子品体闪烁体的研究进 展，主要包括光子晶体调控闪烁发光的基本原理、光子晶体闪烁体的制备技术、光子晶体闪烁 体提高探测系统能量分辨率和时问分辨率的方法。 关键词：闪烁体；光子晶体；光提取；时问分辨率；能量分辨率 中图分类号：T1812文献标志码：AD0L:10.12061/1.issn.2095-6223.2017.040101 Recent Advances in Scintillators Boosted by Photonic Crystals OUYANG Xiao-ping',LIU Bo (1.Northwest Institute of Nuclear Technology.Xi'an 710024.China: 2.Shanghai Key Laboraory of Special Artificial Microstructure Materials and Teehnology School of Physies Scienee and Engineering.Tongji University.China) Abstract:In the radiation detection systems,due to the effect of total internal reflection, large number of scintillation photons are trapped in the internal of scintillators,which impedes the further improvement of the detection efficiency.Photonic crystals are a kind of typical micro-structure materials,which can improve the light output efficiency of the scintillator and control the directionality of light emission.In this paper,we introduce the advances in scintillators boosted by photonic crystals for recent years,mainly including the principle of control mechanism,and the preparation technology of photonic principles.The approaches of improving the energy resolution and timing resolution by using photonic crystals are also discussed. Keywords:scintillator photonic crystals:light extraction:timing resolution;energy resolution 收稿日期：2017-11-08：修回日期：2017-11-16 基金项目：国家自然科学基金资助项目1435010.137429.1574230： 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室资助项目(SKL1PR1516) 作者简介：欧阳晓平(1961一)，男，湖南宁远人，院士，博士，主要从事核辐射探测技术研究。 E-mail:oyxp2003@aliyun.com 04010-1 ?1994-2018 China Academie Journal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
书 光子晶体闪烁体研究进展 欧阳晓平１，刘 波２ （１．西北核技术研究所，西安 ７１００２４；２．同济大学 物理科学与工程学院 上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室， 上海 ２０００９２） 摘 要：闪烁体是探测系统中的核心功能材料，对系统能力的提高起着至关重要的作用，然而 在应用中由于全内反射作用，导致大量闪烁光子被限制在晶体内部，无法出射，阻碍了探测效 率的进一步提升。光子晶体是一种典型的微纳结构材料，可以实现对闪烁发光的调控，提高闪 烁体的光输出效率，控制发光的方向性。介绍了近年来国内外有关光子晶体闪烁体的研究进 展，主要包括光子晶体调控闪烁发光的基本原理、光子晶体闪烁体的制备技术、光子晶体闪烁 体提高探测系统能量分辨率和时间分辨率的方法。 关键词：闪烁体；光子晶体；光提取；时间分辨率；能量分辨率 中图分类号：ＴＬ８１２ 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．１２０６１／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－６２２３．２０１７．０４０１０１ 收稿日期：２０１７－１１－０８；修回日期：２０１７－１１－１６ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（１１４３５０１０，１１３７４２２９，１１５７４２３０）； 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室资助项目（ＳＫＬＩＰＲ１５１６） 作者简介：欧阳晓平（１９６１－ ），男，湖南宁远人，院士，博士，主要从事核辐射探测技术研究。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｏｙｘｐ２００３＠ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｍ ＲｅｃｅｎｔＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＳｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒｓＢｏｏｓｔｅｄｂｙＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌｓ ＯＵＹＡＮＧＸｉａｏ－ｐｉｎｇ１，ＬＩＵＢｏ２ （１．ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮｕｃｌｅａｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｘｉａｎ ７１００２４，Ｃｈｉｎａ； ２．ＳｈａｎｇｈａｉＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＳｐｅｃｉａｌＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ，ｄｕｅｔｏｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｏｔａｌｉｎｔｅｒｎａｌｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ，ａ ｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎｐｈｏｔｏｎｓａｒｅｔｒａｐｐｅｄｉｎｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｏｆｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒｓ，ｗｈｉｃｈ ｉｍｐｅｄｅｓｔｈｅｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓａｒｅａｋｉｎｄｏｆ ｔｙｐｉｃａｌｍｉｃｒｏ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｌｉｇｈｔｏｕｔｐｕｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆｔｈｅ ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｌｉｇｈｔｅｍｉｓｓｉｏｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅｓｉｎｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒｓｂｏｏｓｔｅｄｂｙｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓｆｏｒｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｃｏｎｔｒｏｌｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａｎｄｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｐｈｏｔｏｎｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ．Ｔｈｅ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓｏｆｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｅｎｅｒｇｙｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｔｉｍｉｎｇｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓａｒｅａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒ；ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓ；ｌｉｇｈｔｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ；ｔｉｍｉｎｇｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ；ｅｎｅｒｇｙｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ －１０１０４０ １ 第８卷 第４期 ２０１７年１２月 现 代 应 用 物 理 ＭＯＤＥＲＮ ＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳ Ｖｏｌ．８，Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．２０１７
第8卷 现代应用物理 有光子品体)，光学微腔)，表面等离激元和超构 1闪烁体与光子人工微结构 材料，它们具有不同的微结构形态和特征，但都具 有上述调控功能。最早开展光子人工微结构闪烁体 闪烁摆测系统在高能物理实验、核物理实验、核 丽疗的是改别核子中广，的工ec0a教据里题细，他门 医学成像、天文探测、探矿测井，安检等领域具有耳 采用一维光子品体结构实现了闪烁体光给出的提 要用途，往往涉及大科学工程或国家安全领域的西 高。同济大学与西北核技术研究所和中国科学院上 大需求[门。闪烁体是闪烁探测系统中的核心功能材 海应用物理研究所合作，率先在国内开展了光子品 料，属于发光材料，可以吸收入射高能粒子（如电子 体闪烁体相关的一系列研究，不但提出了众多微结 质子中子、。拉子等)或高能光子（加X射线、y射 构的设计与制各方法，演示了深测系统性能提升的 线)，并将其能量转换成近紫外光或可见光，随后 效果，而且开展了重大科学试验中的应用研究，取得 过光电探测器件如光电倍增管、光电二极管或CCD 了显著的成绩， 本文将介绍目前利用光子品体提高 最终实现对入射粒子或射线的探测)。闪烁发光也 闪烁体发光性质及探测系统性能方面的研究进展 可以理解为高能辐射激发条件下的自发辐射过程。 自世界上首个闪辉体CaW)。发明以来，闪断 2光子晶体调控闪烁发光基本原理 体经历了一百多年的发展。尤其是20世纪40年 代，光电倍增管和Na:T1闪烁体的发明，使得闪均 光子品体由折射率周期变化的材料构成，根据 体耦合光电倍增管的探测方式飞速发展，奠定了现 折射率在不同维度上的周期变化，光子品体可以分 代切烁探测的基出切。探测系统对闪烁体的善偏苦 为一维、一雄和二维光子品体结物，如图1所示。光 求句括高光产额、快衰减，发射波长与光申探测器 子品体届于波长尺度的微结构，其周期的大小与罗 应匹配，稳定的物理化学性质和低成 ,对于 Yy射线 光波长属于同 个数量级，光子品体的折 射率衬度 探测还需要高密度。根据使用环境和要求的不同 周期大小、占空比等因素都会影响调控的结果，因此 研究人员发展出了高光给出闪烁体如NaI(T1)、CsI 结构设计对于调控目标的实现至关重要。 (TI)、Bi,GeOz、LaBr(Ce)、LuSi()2(Ce)、高密度 2-D 闪烁体PbWO,、快闪烁体BaF等各类无机闪烁体 然而在实际应用中，由于无机闪烁体具有较高 的折射率（约1.8一2.2），在辐射致闪烁体发光时 闪烁体内部的闪烁光子在出射界面会产生全反射 用.导的大最光子鼓明制在闪红体的内部干法出时 即使小于全反射角的光可以出射，但由于出射角覆 困1光子品体的一维，二维和三维结构 盖整个空间，而探测器可能布置 某个方向，会导到 o-dimention and three-dimention 大部分出射角度的光无法进入探测器而被浪费」 因 此，提高闪烁体的光输出并控制其出射的方向性 有限厚度的二维光子晶体易于以平板结构覆产 对提高探测系统的探测效率和灵敏度具有重要意 于闪烁体表面，当闪烁发光到达界面处时与光子品 义。具有宏观尺寸（毫米至厘米尺度）的块体闪烁体 的应用中，由于闪烁光在界面处的多次反射可能 体产生耦合，从而实现调控目的，可以提高闪烁体的 光提取效索和实现发光方向性的调控。一维光子品 致时间特性的弥散，从而降低探测系统的时间分辨 体增强闪烁体光提取效率的原理可以描述如下 能力。 当入射角大于临界角时，由于全反射会形成导波模 为了解决上述闪烁体发光面临的共性问题，可 式，表面覆盖光子晶体的闪烁体传播波矢： 以借鉴微钠光子学的基本原理，通过人工微结构调 控闪烁发光的传 人而实现闪烁体光输出的提膏 kg ko (1) 和时间特性的改善)。光子人工微结构的主要功能 式中，k=c代表空气中的波矢。其中，为空 是通过其可以设计的特殊色散关系或可供调节的光 气的折射率：，为角频率：c为真空中的光速 学模式密度实现对自发辐射（这里针对闪烁发光）产 当光与闪烁体表面相互作用时，将获得光子品 生和传输的调控作用。光子人工微结构的具体形式 体倒格矢形成的附加动量，当满足关系式(2)，即可 04010-2 1994-2018 China Academic Jou mal Electronic Publishing House All rights www.cnki.ne
１ 闪烁体与光子人工微结构 闪烁探测系统在高能物理实验、核物理实验、核 医学成像、天文探测、探矿测井、安检等领域具有重 要用途，往往涉及大科学工程或国家安全领域的重 大需求［１］。闪烁体是闪烁探测系统中的核心功能材 料，属于发光材料，可以吸收入射高能粒子（如电子、 质子、中子、α粒子等）或高能光子（如 Ｘ 射 线、γ射 线），并将其能量转换成近紫外光或可见光，随后通 过光电探测器件如光电倍增管、光电二极管或 ＣＣＤ 最终实现对入射粒子或射线的探测［２］。闪烁发光也 可以理解为高能辐射激发条件下的自发辐射过程。 自世界上首 个 闪 烁 体 ＣａＷＯ４ 发明 以 来，闪 烁 体经 历 了 一 百 多 年 的 发 展。尤 其 是２０世纪４０年 代，光电倍增管和 ＮａＩＴｌ闪烁体的发明，使得闪烁 体耦合光电倍增管的探测方式飞速发展，奠定了现 代闪烁探测的基础［３］。探测系统对闪烁体的普遍要 求包括高光产额、快衰减、发射波长与光电探测器响 应匹配、稳定的物理化学性质和低成本，对于γ射线 探测还需要高密度。根据使用环境和要求的不同， 研究人员发展出了高光输出闪烁体如 ＮａＩ（Ｔｌ）、ＣｓＩ （Ｔｌ）、Ｂｉ４Ｇｅ３Ｏ１２、ＬａＢｒ３（Ｃｅ）、Ｌｕ２ＳｉＯ５（Ｃｅ）、高密度 闪烁体ＰｂＷＯ４、快闪烁体ＢａＦ２ 等各类无机闪烁体。 然而在实际应用中，由于无机闪烁体具有较高 的折射率（约１．８～２．２），在辐 射 致 闪 烁 体 发 光 时， 闪烁体内部的闪烁光子在出射界面会产生全反射作 用，导致大量光子被限制在闪烁体的内部无法出射， 即使小于全反射角的光可以出射，但由于出射角覆 盖整个空间，而探测器可能布置于某个方向，会导致 大部分出射角度的光无法进入探测器而被浪费。因 此，提高闪烁体的光输出并控制其出射的方向性， 对提高探测系统的探测效率和灵敏度具有重要意 义。具有宏观尺寸（毫米至厘米尺度）的块体闪烁体 的应用中，由于闪烁光在界面处的多次反射可能导 致时间特性的弥散，从而降低探测系统的时间分辨 能力。 为了解决上述闪烁体发光面临的共性问题，可 以借鉴微纳光子学的基本原理，通过人工微结构调 控闪烁发光的传输，从而实现闪烁体光输出的提高 和时间特性的改善［４］。光子人工微结构的主要功能 是通过其可以设计的特殊色散关系或可供调节的光 学模式密度实现对自发辐射（这里针对闪烁发光）产 生和传输的调控作用。光子人工微结构的具体形式 有光子晶体［５］、光学微腔［６］、表面等离激元［７］和超构 材料［８］，它们具有不同的微结构形态和特征，但都具 有上述调控功能。最早开展光子人工微结构闪烁体 研究的是欧洲核子中心的 Ｌｅｃｏｑ教授课题组，他们 采用二维光子晶体结构实现了闪烁体光输出的提 高。同济大学与西北核技术研究所和中国科学院上 海应用物理研究所合作，率先在国内开展了光子晶 体闪烁体相关的一系列研究，不但提出了众多微结 构的设计与制备方法，演示了探测系统性能提升的 效果，而且开展了重大科学试验中的应用研究，取得 了显著的成绩。本文将介绍目前利用光子晶体提高 闪烁体发光性质及探测系统性能方面的研究进展。 ２ 光子晶体调控闪烁发光基本原理 光子晶体由折射率周期变化的材料构成，根据 折射率在不同维度上的周期变化，光子晶体可以分 为一维、二维和三维光子晶体结构，如图１所示。光 子晶体属于波长尺度的微结构，其周期的大小与发 光波长属于同一个数量级，光子晶体的折射率衬度、 周期大小、占空比等因素都会影响调控的结果，因此 结构设计对于调控目标的实现至关重要。 图１ 光子晶体的一维、二维和三维结构 Ｆｉｇ．１ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓｆｏｒｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｔｉｏｎ， ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｔｉｏｎａｎｄｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｔｉｏｎ 有限厚度的二维光子晶体易于以平板结构覆盖 于闪烁体表面，当闪烁发光到达界面处时与光子晶 体产生耦合，从而实现调控目的，可以提高闪烁体的 光提取效率和实现发光方向性的调控。二维光子晶 体增强闪烁体光提取效率的原理可以描述如下［４］： 当入射角大于临界角时，由于全反射会形成导波模 式，表面覆盖光子晶体的闪烁体传播波矢： ｋ∥ ＞ｋ０ （１） 式中，ｋ０＝ｎ０ω／ｃ代表空气中的波矢。其中，ｎ０ 为空 气的折射率；ω为角频率；ｃ为真空中的光速。 当光与闪烁体表面相互作用时，将获得光子晶 体倒格矢形成的附加动量，当满足关系式（２），即可 －１０１０４０ ２ 第８卷 现 代 应 用 物 理
欧阳晓平等，光子品体闪烁体研究进 第4期 实现光提取： (2 式中，p取正负整数：G为倒格矢基矢，G=2/d d为光子品体的品格常数。出射光的方向决定于导 波模式级次和光子品体倒格矢，可以表达为 日-aresin[(a/2π)Ikg+pG。I门 (3) 发射角度分布与平坦界面发射的朗伯型(La一 bertian profile)不同.这为利用光子品体调拉发光 的方向性提供了可能 3闪烁体表面光子晶体制备方法 根据闪烁体应用的一般要求，光子品体结构 20 该能够进行低成本的大面积制备，并且结构稳定 下面对己有的制各方法讲行简要总结】 3.1电子束光刻法 电子宋光刻技术是制备二维光子品体结构的传 50 统方法)，采用聚焦电子束对光刻胶进行逐点犀》 刻蚀.再通过图像转移，获得所需材料的光子品体结 构，该方法的优势在于具有很高的分辨率，光子品体 结构最小尺寸可达20nm,日不拘于周期结构，可 困光子品体结构示意困和发光 度的角 分布 制备任意图案的结构 欧洲核子中心 课题组提出了采用光子品体结构获得光输出的揭 高，并利用电子束光刻技术在LS)闪烁体表而制签 电子束光刻技术制备的光子晶体结构较完美 了面积为1.2mm×2.6mm×5mm的光子品体结 但是工艺过程采用了逐点刻蚀的方法，因此耗时长、 构0-。图2为制备的光子品体闪烁体结构示意 成本高，尤其是制备大面积光子品体较为困难，甚至 图和光发射角度 分布的测试结果。所制备的光子品 不可行】 体具有两种不同的结构，分别为三角结构的空气孔 3 自组装方法 状结椒和正方结的立方柱，物成折射率封的材 自组装方法利用了单个微球之间的作用力，通 料分别是空气和氯化硅。如图2(a》和图2(b)所示 过能量最小化过得，实现规侧有序的空间挂布。白 角度依赖的发光如图2（©）所示，结果表明：与无结 组劳方法包括重力沉降法、垂直沉积法，电泳法、 构的参考样品相比，其光输出提高了30%一 60 涂法等，可以廉价制备大面积光子品体，包括 几乎所有角度的光发射都有增强，在25°附近发射 维光子品体和 维光子品体 。采用自组装 增强最大，发射角度分布偏离无结构时的朗伯型。 法可以将单分散微球排列成周期阵列结构，常用的 微球包括聚苯乙烯(S)、聚甲基丙烯酸甲 (PMMA)、Si(),和TiO,周期结构可以是蛋白石结 构或反蛋白石结构。当自组装构成的结构是单层六 角结构时，可以认为构成了 二维光子品体 D 采用自组装方法分别在LYSO)和BGO阿闪 烁体表面制备了尺度达到厘米量级单层聚苯乙烯微 (a)Triangular photonic crystals structures 球阵列的光子品体结构，当微球直径（即周期）近似 triangular arranged holes in a slab of silicon nitride 等于闪烁体发光波长时，光输出的效率提升最高。 04010-3 18China Academie Jouma Publishing House.All rights reserved.hp://www.enkie
实现光提取： ｜ｋ∥ ＋ｐＧ０｜＜ｋ０ （２） 式中，ｐ取正负整数；Ｇ０ 为倒格矢基矢，Ｇ０＝２π／ｄ， ｄ为光子晶体的晶格常数。出射光的方向决定于导 波模式级次和光子晶体倒格矢，可以表达为 θ＝ａｒｃｓｉｎ［（λ／２π）｜ｋ∥ ＋ｐＧ０｜］ （３） 发射角度分布与平坦界面发射的朗伯型（Ｌａｍ－ ｂｅｒｔｉａｎｐｒｏｆｉｌｅ）不同，这 为 利 用 光 子 晶 体 调 控 发 光 的方向性提供了可能。 ３ 闪烁体表面光子晶体制备方法 根据闪烁体应用的一般要求，光子晶体结构应 该能够进行 低 成 本 的 大 面 积 制 备，并 且 结 构 稳 定。 下面对已有的制备方法进行简要总结。 ３．１ 电子束光刻法 电子束光刻技术是制备二维光子晶体结构的传 统方法［９］，采用聚焦电子束对光刻胶进行逐点曝光 刻蚀，再通过图像转移，获得所需材料的光子晶体结 构，该方法的优势在于具有很高的分辨率，光子晶体 结构最小尺寸可达２０ｎｍ，且不拘于周期结构，可以 制备任意 图 案 的 结 构。欧 洲 核 子 中 心 Ｌｅｃｏｑ教授 课题组提出了采用光子晶体结构获得光输出的提 高，并利用电子束光刻技术在 ＬＳＯ 闪烁体表面制备 了面积为１．２ｍｍ×２．６ｍｍ×５ｍｍ 的光子晶体结 构［１０－１１］。图２为制备的光子晶体闪烁体结构示意 图和光发射角度分布的测试结果。所制备的光子晶 体具有两种不同的结构，分别为三角结构的空气孔 状结构和正方结构的立方柱，构成折射率衬度的材 料分别是空气和氮化硅。如图２（ａ）和图２（ｂ）所示， 角度依赖的发光如图２（ｃ）所示。结果表明：与无结 构的参考样 品 相 比，其 光 输 出 提 高 了３０％～６０％， 几乎所有角度的光发射都有增强，在２５°附近 发 射 增强最大，发射角度分布偏离无结构时的朗伯型。 （ａ）Ｔｒｉａｎｇｕｌａｒｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇｏｆ ｔｒｉａｎｇｕｌａｒａｒｒａｎｇｅｄｈｏｌｅｓｉｎａｓｌａｂｏｆｓｉｌｉｃｏｎｎｉｔｒｉｄｅ （ｂ）Ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｍａｄｅｏｆｓｉｌｉｃｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅｐｉｌｌａｒｓｈａｖｉｎｇａｓｑｕａｒｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎ （ｃ）Ａｎｇｕｌａｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｅｍｉｓｓｉｏｎ ｆｏｒｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓａｍｐｌｅｓ 图２ 光子晶体结构示意图和发光强度的角度分布［１１］ Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓａｎｄ ｔｈｅａｎｇｕｌａｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙ［１１］ 电子束光刻技术制备的光子晶体结构较完美， 但是工艺过程采用了逐点刻蚀的方法，因此耗时长、 成本高，尤其是制备大面积光子晶体较为困难，甚至 不可行。 ３．２ 自组装方法 自组装方法利用了单个微球之间的作用力，通 过能量最小化过程，实现规则有序的空间排布。自 组装方法包括重力沉降法、垂直沉积法、电泳法、旋 涂法等［１２］，可以 廉 价 制 备 大 面 积 光 子 晶 体，包 括 二 维光子晶体 和 三 维 光 子 晶 体［１３－１４］。采用 自 组 装 方 法可以将单分散微球排列成周期阵列结构，常用的 微 球 包 括 聚 苯 乙 烯 （ＰＳ）、聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 （ＰＭＭＡ）、ＳｉＯ２和 ＴｉＯ２，周期结构可以是蛋白石结 构或反蛋白石结构。当自组装构成的结构是单层六 角结构时，可以认为构成了二维光子晶体。 采用自组装方法分别在 ＬＹＳＯ［１５］和 ＢＧＯ［１６］闪 烁体表面制备了尺度达到厘米量级单层聚苯乙烯微 球阵列的光子晶体结构，当微球直径（即周期）近似 等于闪烁体 发 光 波 长 时，光 输 出 的 效 率 提 升 最 高。 －１０１０４０ ３ 欧阳晓平 等：光子晶体闪烁体研究进展 第４期
第8卷 现代应用物理 由微球阵列构造出的光子品体结构具有较为特殊的 光学行为，波长尺度的单个微球具有显著的低级次 回音廊模式(WGMs)[切，周期结构具有显著的布拉 格行射效应，因此，两种作用的耦合导致了丰富的光 学模式密度，提高了与闪烁光在界面处衰逝波的耦 合效率，最终实现有效的光输出增强 然而，由于聚苯乙烯具有较低的折射率 (n=1,59),限制了光提取效率的进一步增强。为 了提高光输出效率，必须通过增加光子品体结构的 (b)Top-view of SEM imsge 折射率封度，增强单个单元的衍射效应，最终实现光 提取效率的进 一步提升。为了解决折射率衬底低的 问题，采用了原子层沉积技术，在已经制备的单层聚 苯乙烯微球阵列的表面共形沉积一层厚度为 3090nm的TiO,层(m≈2.8)，由于该层材料折射 率高，在微球表面形成壳层结构，增加了光学模式密 度，因此可以大幅度提高光提取效幸 图3 了光子品体结构，微球的直径为414nm,共形层的 厚度为58.8nm。其中，图3(a)为表面覆盖TiO2 图3表面覆盖T0,共形层的单层球 共形层的单层微球阵列光子提取结构示意图，图3 (b)和图3(c)分别为样品表面电绮昭片的面视图和 Fig. 剖面图。图4为LYS0闪烁体表面覆盖具有不同 ts SEM im 厚度(0,30,58.8,90nm》Ti(2共形层结构的聚苯☑ 烯微球阵列光子品体样品的光谱测试结果。从图。 可以看出：单纯的聚苯乙烯微球阵列提高了光输出 约50以，而共形沉积T0.层之后.光给出增加 149%。这一结果表明，几十纳米厚的高折射率共 层即可显著增强光输出效率。电场强度分布的模拟 结果也证实了共形层中出现了显著的光学模式增 强，表明与闪烁光的耦合作用效率将大大增强。此 外，采用原子层共形技术获得高折率封度光子品体 的方法，可以避免复杂的图形转移过程，使得整个制 备流程简便、廉价且易于制备大面积样品。采用原 W山/ 子层技术制条的共形层非常致密，可以将单层聚苯 (a)Emission e normal direction 乙烯微球阵列牢牢固定在闪烁体表面，使得样品坚 5 固结实耐用。 400 LYSO scinti for light ex 04010-4 21994-2018Chim Academic Jou mal Electronic Publishing House All rightsr erved http://www.cnki.ne
由微球阵列构造出的光子晶体结构具有较为特殊的 光学行为，波长尺度的单个微球具有显著的低级次 回音廊模式（ＷＧＭｓ）［１７］，周期结构具有显著的布拉 格衍射效应，因此，两种作用的耦合导致了丰富的光 学模式密度，提高了与闪烁光在界面处衰逝波的耦 合效率，最终实现有效的光输出增强。 然 而，由 于 聚 苯 乙 烯 具 有 较 低 的 折 射 率 （ｎ＝１．５９），限制了光提取效率的进一步增强。为 了提高光输出效率，必须通过增加光子晶体结构的 折射率衬度，增强单个单元的衍射效应，最终实现光 提取效率的进一步提升。为了解决折射率衬底低的 问题，采用了原子层沉积技术，在已经制备的单层聚 苯乙烯微球阵列的表面共形沉积一层厚度为 ３０～９０ｎｍ的 ＴｉＯ２层 （ｎ≈２．８），由于该层材料折射 率高，在微球表面形成壳层结构，增加了光学模式密 度，因此可以大幅度提高光提取效率［１８］。图３展示 了光子晶体结构，微球的 直 径 为４１４ｎｍ，共形 层 的 厚度为５８．８ｎｍ。其中，图３（ａ）为 表 面 覆 盖 ＴｉＯ２ 共形层的单层微球阵列光子提取结构示意图，图３ （ｂ）和图３（ｃ）分别为样品表面电镜照片的顶视图和 剖面图。图４为 ＬＹＳＯ 闪烁 体 表 面 覆 盖 具 有 不 同 厚度（０，３０，５８．８，９０ｎｍ）ＴｉＯ２ 共形层结构的聚苯乙 烯微球阵列光子晶体样品的光谱测试结果。从图４ 可以看出：单纯的聚苯乙烯微球阵列提高了光输出 约５０％，而 共 形 沉 积 ＴｉＯ２层 之 后，光 输 出 增 加 了 １４９％。这一结果表明，几十纳米厚的高折射率共形 层即可显著增强光输出效率。电场强度分布的模拟 结果也证实了共形层中出现了显著的光学模式增 强，表明与闪烁光的耦合作用效率将大大增强。此 外，采用原子层共形技术获得高折率衬度光子晶体 的方法，可以避免复杂的图形转移过程，使得整个制 备流程简便、廉价且易于制备大面积样品。采用原 子层技术制备的共形层非常致密，可以将单层聚苯 乙烯微球阵列牢牢固定在闪烁体表面，使得样品坚 固结实耐用。 （ａ）Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｏｒｌｉｇｈｔｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ （ｂ）Ｔｏｐ－ｖｉｅｗｏｆＳＥＭｉｍａｇｅｓ （ｃ）ＣｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆＳＥＭｉｍａｇｅｓ 图３ 表面覆盖 ＴｉＯ２ 共形层的单层微球 阵列光子晶体结构示意图及其电镜照片［１８］ Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆｍｏｎｏｌａｙｅｒｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅａｒｒａｙｃｏｖｅｒｅｄｗｉｔｈＴｉＯ２ ｃｏｎｆｏｒｍａｌｌａｙｅｒａｎｄｉｔｓＳＥＭｉｍａｇｅｓ［１８］ （ａ）Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒａａｔｎｏｒｍａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ （ｂ）Ａｎｇｌｅ－ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｅｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒａｗｉｔｈ０°－６０° －１０１０４０ ４ 第８卷 现 代 应 用 物 理
欧阳晓平等，光子品体闪烁体研究进展 第4期 25 一10Omm,SEM image 00 (b)The SEM image f motheye u nt and simulation of enbanceme 40 ratio with respect to the reference sample 0 of theCe】 (d)Angular profils of wavelenzthintegrated emission intensit 图+YS0闪烁体表面覆盖不同厚度(0,30,58.8， nd the re smple 90nm)TiO2共形层结构的单层微球阵列光子品体样品 图5LSi0,(C)薄膜表面制备蛾眼仿生结构示宣图 及其参老样品的光谱测试结果[ 电镜照片及其发射光谱「 Fig.4 Emi photonic Fig.5 Schematic diagram for preparing the biinspired ructure of m microsph ered with moth-eye structure on the surface of Lu.SiO.,(Ce)thin film.SEM image and measured emission spectrat- 测试结果表明，光输出可以提高80%，该结果 自组装光子品体结构还可以作为模板构造出其 可以应用于X射线医学成像系统。 光输出提高在 他类型的光子品体结构。我们与美国组约大学合作 核医学成像中的重要意义在于可以采用更低剂量的 采用自组装结构模板成功地在L山，SiO,(Ce)闪烁薄 放射源对患者进行成像扫描，以降低患者辐射诱导 的察风哈19-) 摸表面制备了蛾眼仿生结构的光子品体，如图 所示。 3.3同步辐射软X射线干涉光刻方法 自组装方法可以降低成本，便于制备大面积光 子品体结构，但是该方法引入的缺陷较多，整个光了 晶体是由几十微米尺度的取向各异的畴构成，因此， 从大面积的角度看，光子品体的结构不够完美，尤其 在成像应用中，将会破坏图像的空间分辨奉。近年 米发展出的软X射线干涉光刻技术(XIL,)采用 (A)The self-assembly of sio,nanonarticles on the 辐射装置产生的相干辐射源可以进行干涉光刻 of high index light layer Si N which i 同步辐射X射线源亮度高，干涉光刻技术可以实施 deposited on Lu.sio.(Ce)thin film 大而积暖光，因此，采用该方法可讲行大面积的光子 04010-5 994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
（ｃ）Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｒａｔｉｏｗｉｔｈｒｅｓｐｅｃｔｔｏｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓａｍｐｌｅ （ｄ）Ａｎｇｕｌａｒｐｒｏｆｉｌｅｏｆｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ－ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｅｍｉｓｓｉｏｎｉｎｔｅｎｓｉｔｙ 图４ ＬＹＳＯ闪烁体表面覆盖不同厚度（０，３０，５８．８， ９０ｎｍ）ＴｉＯ２共形层结构的单层微球阵列光子晶体样品 及其参考样品的光谱测试结果［１８］ Ｆｉｇ．４ Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒａｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｓｗｉｔｈｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｍｏｎｏｌａｙｅｒｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅａｒｒａｙｃｏｖｅｒｅｄｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｈｉｃｋｎｅｓｓＴｉＯ２ｃｏｎｆｏｒｍａｌｌａｙｅｒ（０，３０，５８．８，９０ｎｍ） ｏｎＬＹＳＯｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒｓｕｒｆａｃｅａｎｄｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓａｍｐｌｅ［１８］ 自组装光子晶体结构还可以作为模板构造出其 他类型的光子晶体结构。我们与美国纽约大学合作 采用自组装结构模板成功地在 Ｌｕ２ＳｉＯ５（Ｃｅ）闪烁薄 膜表面 制 备 了 蛾 眼 仿 生 结 构 的 光 子 晶 体，如 图 ５ 所示。 （ａ）Ｔｈｅｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆＳｉＯ２ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓｏｎｔｈｅｔｏｐ ｏｆｈｉｇｈｉｎｄｅｘｌｉｇｈｔｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｌａｙｅｒＳｉ３Ｎ４，ｗｈｉｃｈｉｓ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄｏｎＬｕ２ＳｉＯ５（Ｃｅ）ｔｈｉｎｆｉｌｍ （ｂ）ＴｈｅＳＥＭｉｍａｇｅｏｆｂｉｏ－ｉｎｓｐｉｒｅｄｍｏｔｈ－ｅｙｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ （ｃ）ＭｅａｓｕｒｅｄｅｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒａｏｆｔｈｅＬｕ２ＳｉＯ５（Ｃｅ） ｔ ｈｉｎｆｉｌｍｓａｍｐｌｅｗｉｔｈｂｉｏ－ｉｎｓｐｉｒｅｄｍｏｔｈ－ｅｙｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓａｍｐｌｅ 图５ Ｌｕ２ＳｉＯ５（Ｃｅ）薄膜表面制备蛾眼仿生结构示意图、 电镜照片及其发射光谱［１９－２０］ Ｆｉｇ．５ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｆｏｒｐｒｅｐａｒｉｎｇｔｈｅｂｉｏ－ｉｎｓｐｉｒｅｄ ｍｏｔｈ－ｅｙｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆＬｕ２ＳｉＯ５（Ｃｅ）ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ，ＳＥＭｉｍａｇｅａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄｅｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒａ［１９－２０］ 测试结 果 表 明，光 输 出 可 以 提 高８０％，该结 果 可以应用于 Ｘ 射 线 医 学 成 像 系 统。光 输 出 提 高 在 核医学成像中的重要意义在于可以采用更低剂量的 放射源对患者进行成像扫描，以降低患者辐射诱导 的患癌风险［１９－２０］。 ３．３ 同步辐射软 Ｘ射线干涉光刻方法 自组装方法可以降低成本，便于制备大面积光 子晶体结构，但是该方法引入的缺陷较多，整个光子 晶体是由几十微米尺度的取向各异的畴构成，因此， 从大面积的角度看，光子晶体的结构不够完美，尤其 在成像应用中，将会破坏图像的空间分辨率。近年 来发展出的软 Ｘ射线干涉光刻技术（ＸＩＬ）采用同步 辐射装置产生的相干辐射源可以进行干涉光刻［２１］。 同步辐射 Ｘ射线源亮度高，干涉光刻技术可以实施 大面积曝光，因此，采用该方法可进行大面积的光子 －１０１０４０ ５ 欧阳晓平 等：光子晶体闪烁体研究进展 第４期
第8卷 现代应用物理 品体制备，具有周期完美的特征。此外，干涉光刻技 术属于非接触式光刻，不会产生机械损伤 在BGO闪烁体表面采用同步辐射软X射线于 涉光刻技术并结合原子层沉积技术成功实现了大面 积(5.6mm×5.6mm)光子品体的制各，所获光子 品体结构完整，取向 一致，质量显著高于自组装 法，结构测试表明，光输出提高了95.1%，如图 所示。 28 图6利用软X射线干涉光刻技术在BG0表面制备光子 品体的样品与参考样品的发光光谱的角度依赖可 Fig.6 Angle-dependent emission spectra of BGO sample covered with photonic crystal prepared using XI and the refe n[2] (a)The sample of photoni 3.4纳米压印技术 纳米压印技术是采用预制好的模板，通过在 光刻胶上加压直接获取光子品体结构复制的 种技术[门。纳米压印面积的大小取决于预制的 模板面积。虽然大面积模板的制备成太较高，但 模板可以重复使用，适合批量制备。如果模板周 期结构完美，纳米压印出的结果也其有完好的周 期结构。采用纳米压印技术在闪烁薄膜的表面 制备光子品体结构，当闪烁薄膜厚度很薄，只有 一个或少数几个导波模式的条件下，会产生导模 共振现象(guided-mod GMR)a。 波模式是一种限制在薄膜内传播的一种光学模 式，当薄膜的一个面布置了光子品体之后，当内 r-M 部入射光与光子品体相互作用时，如果满足相位 匹配件，导波橙式或转弯成洞武，产生 场发射[。导模共振现象被 泛应用于发光材 12 料的光提取和方向性调控2。当发光层中的号 波模式数量很多时，每一个模式将产生一个特定 0 方向的角度发射，因此发射角度无法集中，为 400 解决此问题，我们尝试在少模式的条件下应用号 模共振原理获得发光层方向性的调控。如在 (e)with photonic f LuTaO,(Eu艹)薄膜表面制备了光子晶体结构 conformal deposition of Ti0 on the solidified 从而获得了发光方向性的显著调控。样品制备 photoresist along the T-M orientation 过程如图7所示。 040101-6 1994-2018 China Academic Jou mal Electronic Publishing rights reservec http://www.cnki.ne
晶体制备，具有周期完美的特征。此外，干涉光刻技 术属于非接触式光刻，不会产生机械损伤［２２］。 在 ＢＧＯ 闪烁体表面采用同步辐射软 Ｘ 射线干 涉光刻技术并结合原子层沉积技术成功实现了大面 积（５．６ｍｍ×５．６ｍｍ）光子 晶 体 的 制 备，所 获 光 子 晶体结构完 整，取 向 一 致，质量显著高于自组装方 法，结构测试表明，光输出提高了９５．１％［２３］，如图６ 所示。 （ａ）Ｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓａｍｐｌｅｏｆｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ （ｂ）Ｔｈｅｓａｍｐｌｅｃｏｖｅｒｅｄｗｉｔｈｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｏｆｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔａｌｏｎｇｔｈｅΓ－Ｘ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ （ｃ）Ｔｈｅｓａｍｐｌｅｃｏｖｅｒｅｄｗｉｔｈｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｏｆ ｃｏｎｆｏｒｍａｌｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＴｉＯ２ｏｎｔｈｅｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔａｌｏｎｇｔｈｅΓ－Ｍ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ （ｄ）Ｔｈｅｓａｍｐｌｅｃｏｖｅｒｅｄｗｉｔｈｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌ ｏｆｃｏｎｆｏｒｍａｌｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＴｉＯ２ｏｎｔｈｅｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔａｌｏｎｇｔｈｅΓ－Ｘ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ 图６ 利用软 Ｘ射线干涉光刻技术在 ＢＧＯ表面制备光子 晶体的样品与参考样品的发光光谱的角度依赖［２３］ Ｆｉｇ．６ Ａｎｇｌｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｅｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒａｏｆＢＧＯｓａｍｐｌｅｓ ｃｏｖｅｒｅｄｗｉｔｈｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｐｒｅｐａｒｅｄｕｓｉｎｇＸＩＬ ａｎｄｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓａｍｐｌｅ［２３］ ３．４ 纳米压印技术 纳 米 压 印 技 术 是 采 用 预 制 好 的 模 板，通 过 在 光刻胶上加压直接获取光子晶体结构复制的一 种 技 术［２４］。纳 米压印面积的大小取决于预制的 模 板 面 积，虽 然 大 面 积 模 板 的 制 备 成 本 较 高，但 模 板 可 以 重 复 使 用，适 合 批 量 制 备。如 果 模 板 周 期 结 构 完 美，纳米压印出的结果也具有完好的周 期 结 构。采 用 纳 米 压 印 技 术 在 闪 烁 薄 膜 的 表 面 制备光子晶体结构，当 闪 烁 薄 膜 厚 度 很 薄，只 有 一个或少数几个导波模式的条件下，会 产 生 导 模 共 振 现 象（ｇｕｉｄｅｄ－ｍｏｄｅｒｅｓｏｎａｎｃｅ，ＧＭＲ）［２５］。导 波模式是一种限制在薄膜内传播的一种光学模 式，当薄膜的一个面布置了光子晶体之后，当 内 部入射光与光子晶体相互作用时，如 果 满 足 相 位 匹 配 条 件，导 波 模 式 就 转 变 成 泄 漏 模 式，产 生 远 场 发 射［２６］。导模 共 振 现 象 被 广 泛 应 用 于 发 光 材 料 的 光 提 取 和 方 向 性 调 控［２７］。当发光层中的导 波模式数量很多时，每 一个模式将产生一个特定 方向的角度发射，因 此 发 射 角 度 无 法 集 中，为 了 解 决 此 问 题，我们尝试在少模式的条件下应用导 模共振原理获得发光层方向性的调控。 如 在 ＬｕＴａＯ４（Ｅｕ３＋ ）薄 膜表面制备了光子晶体结构， 从 而 获 得 了 发 光 方 向 性 的 显 著 调 控。 样 品 制 备 过 程 如 图７所 示。 －１０１０４０ ６ 第８卷 现 代 应 用 物 理
欧阳晓平等，光子品体闪烁体研究进 第4期 0V Angle/() （c Emission pc 图7具有光子晶体导模共振结构的 LT0,(E+)薄膜制备流程图 Fig.7 Schematic illustration of the fabrication LuTaO,(Eu3*)薄膜的厚度控制在只允许 个 TE模式和一个TM模式存在，选取合适的光子品 体结构参数，获得相位匹配。采用钠米压印技术制 备的光子晶体结构取向一致、结构完美，能够很好地 实现导模共振，从而调控发光的方向性，如图8 所示。 (d)Extracted spectra from blue line red line and black line at the angle of 38 图8模拟的色散关系和测量的反射光洁 与发射光诺的角度依赖侧 Fig.8 Simulated dispersion relations and th angle-dependence of measured reflection spectra and emission spectra 事实上，导模共振对波长具有强烈的选择性，往 ,而常用基 于Ce+离了 谱是宽带（半高宽约40nm),因此，为了适用于宽布 d dispersion relations in the directi 发射的调控，可以采取多个导模共振揭合的方式实 现发光方向性的调控。 640 基于光子晶体实现探测系统能力的提高 62u 采用光子品体结构可以直接提高探测系统探测 效率、灵敏度和信噪比。在此基础上，还可以提高探 380 测系统能量分辨能力和时间分辨能力， 4.】探测系统能量分辨率的提高 光输出的增强会增强光子统计学过程，从而实 现能量分辨率的提高。在BGO闪烁体表面制各的 (b)Reflection spectra 光子品体结构光输出提高了约70%，662keVY射 线(1C:)能谱的测量表明：相对能量分辨率提高了 04010-7 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.htp://www.enki.ne
图７ 具有光子晶体导模共振结构的 ＬｕＴａＯ４（Ｅｕ３＋ ）薄膜制备流程图［２８］ Ｆｉｇ．７ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｃｏｖｅｒｅｄＬｕＴａＯ４（Ｅｕ３＋ ）ｆｉｌｍ［２８］ ＬｕＴａＯ４（Ｅｕ３＋ ）薄膜的厚度控制在只允许一个 ＴＥ模式和一个 ＴＭ 模式 存 在，选取合适的光子晶 体结构参数，获得相位匹配。采用纳米压印技术制 备的光子晶体结构取向一致、结构完美，能够很好地 实现 导 模 共 振，从 而 调 控 发 光 的 方 向 性，如 图 ８ 所示［２８］。 （ａ）ＳｉｍｕｌａｔｅｄｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｒｅｌａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅΓ－Ｋ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ （ｂ）Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒａ （ｃ）Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒａ （ｄ）Ｅｘｔｒａｃｔｅｄｓｐｅｃｔｒａｆｒｏｍｂｌｕｅｌｉｎｅ， ｒｅｄｌｉｎｅａｎｄｂｌａｃｋｌｉｎｅａｔｔｈｅａｎｇｌｅｏｆ３８° 图８ 模拟的色散关系和测量的反射光谱 与发射光谱的角度依赖［２８］ Ｆｉｇ．８ Ｓｉｍｕｌａｔｅｄｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｒｅｌａｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅ ａｎｇｌｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｍｅａｓｕｒｅｄｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａａｎｄｅｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒａ［２８］ 事实上，导模共振对波长具有强烈的选择性，往 往只能调控类似 Ｅｕ３＋ 离子 的 线 谱 发 射。而 常 用 基 于 Ｃｅ３＋ 离子发光的衰减时间较快的闪烁体发射光 谱是宽带（半高宽约４０ｎｍ），因此，为了适用于宽带 发射的调控，可以采取多个导模共振耦合的方式实 现发光方向性的调控［２９］。 ４ 基于光子晶体实现探测系统能力的提高 采用光子晶体结构可以直接提高探测系统探测 效率、灵敏度和信噪比。在此基础上，还可以提高探 测系统能量分辨能力和时间分辨能力。 ４．１ 探测系统能量分辨率的提高 光输出的增强会增强光子统计学过程，从而实 现能量分辨率的提高。在 ＢＧＯ 闪烁体表面制备的 光子晶体结构光输出提高了约７０％，６６２ｋｅＶγ射 线（１３７Ｃｓ）能谱的测量表明：相对能量分辨率提高了 －１０１０４０ ７ 欧阳晓平 等：光子晶体闪烁体研究进展 第４期
第8卷 现代应用物理 10%,如图9所示)。能量分辨率对于研究放射性 核素的性质至关重要，放射性核素产生的Y射线通 常需要大块闪烁品体进行探测，材料本身的光陷效 应和闪烁光在闪烁体内多次反射导致的自吸收增强 都会隆低有效光输出，光子品体的合理设计群可以 部分打破界面处的全内反射又可以通过增强闪烁 光在界面处的首次光提取效率降低平均光程减少目 0.2 吸收，从而获得闪烁光子的充分利用。 。1005 图10制备光子品体前后闪烁探测系统 时间分端率比较四 Fig1 Coincidence timing e befored fer the photonic crystal structures are prepared on LYSO samplesp 5总结与展望 核辐射探测技术属于传统研究领域，其在大科 图9 学装置、工业、医疗和国家安全领域且有重要作用」 Y射线能，激发源 闪烁体及其探测系统经过几十年的发展，遇到了 为Cs,虚线为高斯拟合结果 系列瓶颈问题，无法很好满足目前对更高探测能力 Fig.9 The energy spectra 的需求，迫切需要产生突破性的方法促其发展。利 plain BGO and BGO with nanosph 用微纳光子学领域的最新研究成果，借助新概念，新 Gaussian fittings shown with dashed lin 方法和新材料，将其与闪烁探测系统相结合，以期突 used to analyze the energy resolution 破现右新预问题，实现更大发展。光子品休在提高 闪烁体的光输出方面具有显著作用，演示了不同光 4.2探测系统时间分辨率的提高 子品体结构、不同闪烁体类型在光输出提高方面的 快的时间响应是拉子探测的重要需求之一， 效果，光子品体在提高光输出上的特性可以进一步 如，核医学成像中采用基于飞行时间法的正电子发 转化成探测系统能力的提升，这是借鉴微纳光子学 射断层扫描技术(TOF-PET)需要通过提高时间分 方法的根本目的。光子品体的设计及其制备方法必 辨率来提高成像的空间分辨率[阿， 须满足探测系统的各项需求，两者必须密切结合才 探测系统的时间分辨率取决于系统的多种因 可能产生实际效果 我们有理由相信，未来闪烁 素，其中，与闪烁体直接相关的因素包括闪烁体有效 测系统的设计与优化需要在光子调控的基础上 光输出和闪烁体的衰减时间。增强有效光输出 实现 可以提高光子统计学过程，尤其是在信号产生的初 始阶段更为关挝。按照著名的Hyman理论预测， 参考文献 闪烁探测系统的时间分辨率与(a/N)成正比，其 中，为闪辉体意减时间常数：N为光探测累中产 [1]NIKL M.YOSHIKAWA A.Recent R&D trends in inoran 生的光电子数，与有效光产额成正比，我们在国 etion[J 际上首次演示了如何通过光子晶体提高闪烁体有效 [2 KNOLL.G F.Radiation Detection and Measuren ent [M].4th 光输出进而实现系统时间分辨率提高的过程。采用 d.Wley.2010:29 符合时间测量方法，当在一对闪烁体表面制备光子 [3刘波，朝淑，医用闪烁体进展[☐门科学通，2002,4 体后，其光输出增强了37%，最终时间分辨率提 高 18.7%，如图10所示 or[J ]Ch 04010-8 1994-2018 China Academic al Electronic Publishing House All rights reserved http://www.cnki.ne
１０％，如图９所示［１６］。能量分辨率对于研究放射性 核素的性质至关重要，放射性核素产生的 γ射线通 常需要大块闪烁晶体进行探测，材料本身的光陷效 应和闪烁光在闪烁体内多次反射导致的自吸收增强 都会降低有效光输出，光子晶体的合理设计既可以 部分打破界面处的全内反射，又可以通过增强闪烁 光在界面处的首次光提取效率降低平均光程减少自 吸收，从而获得闪烁光子的充分利用。 图９ ＢＧＯ闪烁体表面制备聚苯乙烯微球阵列的 光子晶体与参考样品的γ射线能谱，激发源 为１３７Ｃｓ，虚线为高斯拟合结果［１６］ Ｆｉｇ．９ Ｔｈｅｅｎｅｒｇｙｓｐｅｃｔｒａｏｆγ－ｒａｙｆｒｏｍ１３７Ｃｓ ｆｏｒｐｌａｉｎＢＧＯａｎｄＢＧＯｗｉｔｈｎａｎｏｓｐｈｅｒｅｓ， Ｇａｕｓｓｉａｎｆｉｔｔｉｎｇｓｓｈｏｗｎｗｉｔｈｄａｓｈｅｄｌｉｎｅｓ ｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｅｎｅｒｇｙｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ［１６］ ４．２ 探测系统时间分辨率的提高 快的时间响应是粒子探测的重要需求之一，例 如，核医学成像中采用基于飞行时间法的正电子发 射断层扫描技术 （ＴＯＦ－ＰＥＴ）需要通过提高时间分 辨率来提高成像的空间分辨率［３０］。 探测 系 统 的 时 间 分 辨 率 取 决 于 系 统 的 多 种 因 素，其中，与闪烁体直接相关的因素包括闪烁体有效 光输出和闪 烁 体 的 衰 减 时 间［３１］。增强有效光输出 可以提高光子统计学过程，尤其是在信号产生的初 始阶段更 为 关 键。按 照 著 名 的 Ｈｙｍａｎ理论 预 测， 闪烁探测系统的时间分辨率与（τｄ／Ｎ）１／２成正比，其 中，τｄ 为闪烁体 衰 减 时 间 常 数；Ｎ 为光探测器中产 生的光电子数，与有效光产额成正比［３２］。我们在国 际上首次演示了如何通过光子晶体提高闪烁体有效 光输出进而实现系统时间分辨率提高的过程。采用 符合时间测量方法，当在一对闪烁体表面制备光子 晶体后，其光 输 出 增 强 了３７％，最终时间分辨率提 高了１８．７％［３３］，如图１０所示。 图１０ 制备光子晶体前后闪烁探测系统 时间分辨率比较［３３］ Ｆｉｇ．１０ Ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｃｅｔｉｍｉｎｇｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｏｎＬＹＳＯｓａｍｐｌｅｓ［３３］ ５ 总结与展望 核辐射探测技术属于传统研究领域，其在大科 学装置、工业、医疗和国家安全领域具有重要作用。 闪烁体及其探测系统经过几十年的发展，遇到了一 系列瓶颈问题，无法很好满足目前对更高探测能力 的需求，迫切需要产生突破性的方法促其发展。利 用微纳光子学领域的最新研究成果，借助新概念、新 方法和新材料，将其与闪烁探测系统相结合，以期突 破现有瓶颈问题，实现更大发展。光子晶体在提高 闪烁体的光输出方面具有显著作用，演示了不同光 子晶体结构、不同闪烁体类型在光输出提高方面的 效果，光子晶体在提高光输出上的特性可以进一步 转化成探测系统能力的提升，这是借鉴微纳光子学 方法的根本目的。光子晶体的设计及其制备方法必 须满足探测系统的各项需求，两者必须密切结合才 可能产生实际效果。我们有理由相信，未来闪烁探 测系 统 的 设 计 与 优 化 需 要 在 光 子 调 控 的 基 础 上 实现。 参考文献 ［１ ］ＮＩＫＬ Ｍ，ＹＯＳＨＩＫＡＷＡＡ．ＲｅｃｅｎｔＲ＆Ｄｔｒｅｎｄｓｉｎｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒｍａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒｒａｄｉａｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］． ＡｄｖａｎｃｅｄＯｐｔｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１５，３（４）：４６３－４８１． ［２ ］ＫＮＯＬＬＧＦ．ＲａｄｉａｔｉｏｎＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ［Ｍ］．４ｔｈ ｅｄ．Ｗｉｌｅｙ，２０１０：２９． ［３ ］刘波，施 朝 淑．医用闪烁体进展 ［Ｊ］．科 学 通 报，２００２，４７ （１）：１－９．（ＬＩＵＢｏ，ＳＨＩＣｈａｏ－ｓｈｕ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍｅｄｉｃａｌ ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＳｃｉｅｎｃｅＢｕｌｌｅｔｉｎ，２００２，４７（１）：１ －９．） －１０１０４０ ８ 第８卷 现 代 应 用 物 理
欧阳晓平等，光子品体闪烁体研究进展 第4期 [刘波，陈鸿，顾。等.闪烁体与光子人工微结构门物理 2014.434.254-26211io.CHEN Hon et al.Scintillators boosted by nanophotonics [J ]Physies. 37(141:2808-2810. 201.43(4251-262.) [5 JOANNOPOULOS J D.VILLENEUVE P R.FAN S H ics for medical imaging[J Photonics Spectra.2015,49:5 new twist on lightL」Nature [6 ANDREW P.BARNES [21 ]WANG L TERHALLE B.GUZENKO VA.et al.Ge -788 2012,101(9):093101 7]BARNES WL.DEREUS A.EBBESEN T W.Surface plas- [22 ZHAO J.WU Y Q.XUE C F.et al.Fabrication of high as n subwavelength optics [J ]Nature.2003.424(6 950 pect tato hanos structures by the solt X-ray int 2017 ]LIN DM.FAN PY.HASMAN E.Dice 70.40- t0]Science.,2014.3456194 [23 ZHU Z C.WU S.XUE C F.et al.Enhaneed lizht ex 298-302 of scintillator using large-area pbotonic ervstal structures fab [9]TSENG AA.CHEN K.CHEN C D.ct al.Ele ricated by soft-X-ray interference Appl Phys lithography in nanoscale fa ication:Recent developm nt[J] Lett,2015,106(24):24190 TEEE Trans Electron 2003.26(2:141 [24 ]TRAUB MC.LONGSINE W TRUSK TT V N.Ad [10 KRONBERGER M.AUFFRAY E.LECOO P.P [25 JOHNSON S G.FAN S H.VILLENEUVE P R.et sl. 1 EEE Tran Nuel Sci,2008,55(3):1102-1106 Guided modes in ph onie crvstal slabstI7 Phya Rey B.1999 [11 KNAPITSCH A.AUFFRAY E.FARJAN C W.et al 60(8)15751-5758 Results of photonic cryst d light ext [26 DING Y.MAGNU ON R.Reso spectral 6,23 Opt Express [12 ]ZHANG J H.SUN ZQ.YANG B. mbly of ph [27 ]FANS H.JOANNOPOULOSJ D.Analysis of guided re napces in photonie crystal b Phys Rev B.2002.65 ace Science,2009.14(2)103-114 23)235112. [13 ]GALISTEO J F.IBISATE M.SAPIENZA R.et al.Selfas [28 ]WU S.LIU B.ZHU Z S.et al.Guided-mode res 0e 2 LOPEZ C.Materials 1、92102 [9 ]ZHU Z C.LIU B.CHENG C W.et al.Enhar [15 1ZHU Z C.LIU B.CHENG C W.st al.Imp red light ex rectional broadband lumine nce from a scintillation film via oped lutetiunryttrium oxyortho guided-tnode re e in a phote e erystal structure silicate scintillator by m of periodic arrays of polysty ppl Phys1et,2017,110(5):05190l 2018 102(7)071909 [30]L.QP T16 (2 osphere Physica Status Solidi A.2014.211 [31 GLODO J.MOSES WW.HIGGINS W M.et al.Effects o 7):1583-1588 ion in scintil erties of LaBr,:Ce[J [17 ]YAO Y.YAO J.NARASIMHAN V K.et a.Broadband ligh IEEE Trans Nucl Si,2005.52(5)1805-1808. [32 ]ENGTSON B.MOSZYNKI M.Properties 2012.3:66 [33 LIU J L.LIU B.ZHU ZC.et al.Modified timing character 2015,23(6):7085-7093 istic of a scintillation deteetion syetem with photonic erysta [19 PIGNALOSA P.LIU B.CHEN H.et al.Giant light extraction structure:[U].(0pt1ett,2017,42(5h987-990 04010-9 1994-2018 China Academie Joural Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/www.enki.ne
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