7783-46-2 / 氟化鉛的應(yīng)用

背景及概述^[1][2]

氟化鉛晶體具有密度高7.7g/cm3,是目前性能最優(yōu)的契倫可夫發(fā)光材料之一，但純氟化鉛晶體不是閃爍發(fā)光材料。通過在氟化鉛晶體引入銪、鋱等發(fā)光離子可以使氟化鉛晶體產(chǎn)生閃爍光，但銪、鋱等摻雜的氟化鉛的閃爍發(fā)光衰減時間均為毫秒級，不能在雙讀出量能器上使用。

經(jīng)過詳細(xì)調(diào)研可知，為了獲得可見光范圍發(fā)光的氟化鉛材料，多年來眾多研發(fā)人員開展了以下幾個方面的工作：

Mao等人(IEEETransactionsonNuclearScience,57(6)(2010),3841-3845)對多達(dá)116個摻雜不同三價稀土離子及不同摻雜量的氟化鉛樣品進(jìn)行了研究，雖然可以發(fā)射可見光，但它們的衰減時間太慢，都在毫秒量級，比如Eu3+摻氟化鉛樣品的衰減時間是8.5ms，不符合雙讀出材料所要求的快衰減的指標(biāo)(低于1.0μs)。

另一類研究工作集中在非摻雜的氟化鉛材料本身。眾所周知，氟化鉛材料存在β(立方相)和α(正交相)相兩種晶體結(jié)構(gòu)，其中β相氟化鉛材料已經(jīng)被證實在常溫下檢測不到可見光區(qū)域的發(fā)光現(xiàn)象；而α相氟化鉛材料在350-550nm波段存在發(fā)光現(xiàn)象，衰減時間在15-30ns。

因此，如果可以將β相氟化鉛材料成功轉(zhuǎn)換為α相，將使氟化鉛應(yīng)用于雙讀出材料成為可能，因此，D.F.Anderson曾采用高溫等靜壓方法對β-氟化鉛材料進(jìn)行高溫(540℃)高壓(2katm)處理(Nucl.Instr.AndMeth.InPhys.Res.A342(1994):473-476)，成功獲得了α-氟化鉛材料，并在300-500nm波段檢測到了微弱的閃爍光(60Coγ-ray作為激發(fā)源)。然而該方法采用復(fù)雜的高溫等靜壓工藝，成本高昂，獲得大尺寸的α-氟化鉛材料的難度較大，進(jìn)一步提高閃爍光強度的空間也不大。

理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)^[1]

氟化鉛晶體是一種重要的超離子導(dǎo)體，在微電子和光電子器件方面有著廣泛的應(yīng)用。例如，可以作為固體電解質(zhì)、隔膜和化學(xué)傳感器材料。另外，氟化鉛晶體具有密度高、輻射長度短、平均原子序數(shù)大及透光范圍延伸至紫外區(qū)的特點，因此有望成為最理想的Cherenkov輻射體。研究表明氟化鉛材料的性能在很大程度上與減小晶粒尺度至納米量級有直接關(guān)系。

氟化鉛

應(yīng)用^[3]

與氧化物相比，氟化物晶體具有低的聲子能量，這使稀土離子能級間存在較低的無輻射衰減，提高了光學(xué)躍遷的量子效率和延長了上能級的壽命，從而有利于儲能。最近研究發(fā)現(xiàn)立方結(jié)構(gòu)氟化鉛的晶體，具有更低的聲子能量，這極大地減少了無輻射躍遷的幾率，提高了光學(xué)躍遷的量子效率；較高的折射率增強了自發(fā)輻射幾率，使稀土離子能級間具有適中的發(fā)射截面；另外，較寬的透過波段范圍(0.25～12.5μm)，制備成本較低，易獲得大尺寸樣品等優(yōu)點。

制備α-氟化鉛：

先將氟化鉛放入裝有水的水熱反應(yīng)釜中，密封后，在100～200℃下進(jìn)行水熱處理至少2小時；所述水熱反應(yīng)釜由聚四氟乙烯內(nèi)襯和不銹鋼外套構(gòu)成，所述水的加入量不高于水熱反應(yīng)釜體積的70%。

作為優(yōu)選方案，所述β-氟化鉛選自β-氟化鉛單晶或/和β-氟化鉛粉末。

作為優(yōu)選方案，所述加熱裝置選自烘箱、管式爐或箱式爐。

作為優(yōu)選方案，水熱處理的時間為5～24小時，水熱處理的溫度為150～200℃。

作為進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述水熱處理的時間為10～24小時。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該制備方法方便快捷，成本低廉；所得α-氟化鉛結(jié)晶性能較高，而且在該材料中檢測到了光致發(fā)光現(xiàn)象，發(fā)光峰位位于470-570nm之間(峰值波長516nm)，激發(fā)波長365nm左右，屬于帶狀發(fā)射譜，有望在高能物理探測，如雙讀出材料等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

氟化鉛閃爍晶體材料：

將純度為99.99％的PrF3和氟化鉛按分子式Pr0.005氟化鉛.015配比準(zhǔn)確稱量，原料總質(zhì)量為500克；所述的原料充分混合后置于200℃真空烘箱中干燥10小時；將烘干的原料在干燥Ar保護下轉(zhuǎn)入尺寸為20×20×200mm鉑金坩堝中，密封坩堝；將所述的坩堝置于下降法生長爐內(nèi)，然后控制生長爐以30℃/分鐘的速度升溫，直到鉑金坩堝溫度為890℃，保溫5小時；晶體生長固液界面溫度梯度設(shè)置35℃/cm；以2mm/小時速度緩慢下降坩堝；晶體生長完成后以30℃/小時緩慢降溫直到室溫。將所生長晶體切割、研磨、拋光后的14.3×14.3×1mm的晶體樣品。

主要參考資料

[1]任國浩, 沈定中, & 王紹華. (1999). 氟化鉛晶體中的散射顆粒. 無機材料學(xué)報, 14(4), 535-542.

[2]沈定中, 袁湘龍, 張黎星, 鄧群, 李培俊, & 殷之文. (1995). 大尺寸氟化鉛晶體的生長. 硅酸鹽學(xué)報(6), 667-672.

[3]任國浩, 沈定中, 王紹華, 劉光煜, & 殷之文. (1999). 氟化鉛晶體中300nm光吸收帶的起因. 人工晶體學(xué)報, 28(3), 253-257.