闪烁材料作为光学和能量转换材料,在高能射线探测和成像领域得到了广泛的应用。多年来，国内外研究学者一直致力于研发高性能的新型闪烁体，其中，(Ce, Gd)₃(Ga, Al)₅O₁₂（以下简称Ce:GGAG）被认为是最有前途的新一代X射线CT探测用候选材料之一，在晶体生长、透明陶瓷制备以及组分调控等方面已经开展了大量研究工作。 

　　Ce:GGAG中Ga/Al比的变化可调节禁带宽度，进而影响发光离子的能级位置，实现光谱和发光效率的调控；组分筛选的研究表明，在Ga/Al比为3/2 - 2/3的范围内，闪烁性能最佳。但随着Ga/Al比的降低，晶体生长的难度增加，研究认为是由于随着Ga/Al比的降低，Gd₃(Al, Ga)₅O₁₂熔体非一致熔融倾向增加，至Gd₃Al₅O₁₂时，完全非一致熔融，从而导致晶体生长困难。 

　　基于上述问题，近期，中国科学院上海硅酸盐研究所石云副研究员等人开展了低Ga含量Ce:GGAG（Ga/Al比为2/3）的光浮区法 (optical floating zone method，OFZ) 晶体生长和闪烁性能研究。与传统的提拉法（CZ）法和微下拉法（m - PD）法相比，光浮区法在晶体生长过程不需要坩埚，几乎不会在生长过程中引入杂质，可以生长高熔点的晶体。生长速度与其他单晶生长方法相比较快，提高了晶体生长效率且晶体生长质量较高，在新材料研发方面具有明显优势。 

　　研究人员成功生长了一系列不同Ce³⁺掺杂浓度的(Ce,Gd)₃Ga₂Al₃O₁₂晶体，通过在晶体生长过程中引入氧气氛，压力和低熔点助熔剂的方法，进一步克服了Ce:GGAG非一致熔融倾向和Ga₂O₃的分解挥发问题，实现了熔区的稳定生长，使材料在闪烁光产额、衰减时间和快分量比优化等方面取得显著的进步，富氧环境下生长的Ce:GGAG晶体表现出较快衰减时间和较高的快组分比(80 ns / 80%; 257 ns / 20%)，gamma射线(¹³⁷Cs，662 keV)激发下的闪烁光产额最高可达38, 847 pho/MeV @ 0.75 ms; 在闪烁衰减时间方面，明显优于m-PD法生长的同组分单晶(221 ns / 100%)。 

　　该工作还观察到较宽的Ce⁴⁺相关的吸光谱，这类似于Mg²⁺在GGAG中的共掺杂效应，而OFZ法得到的Ce:GGAG晶体相比Ce, Mg:GGAG晶体具有更高的光产额，后者的光产额报道为 (25,000 - 27,000 pho/MeV), 这一结果为探讨Mg²⁺和Ce⁴⁺对Ce³⁺在闪烁发光过程中的影响机制提供了有益的参考。 

　　该工作揭示了光浮区法用于探索新型高性能闪烁晶体的可行性，为闪烁晶体的快速制备和组分性能筛选提供了新型高效的技术方案；通过进一步优化晶体生长参数，将有望继续优化晶体的闪烁性能，并将在其他新型闪烁材料的探索方面发挥重要作用。相关结果分别发表在晶体材料类期刊Crystal growth & Design和CrystEngComm以及开放获取类期刊Materials上，并申请中国发明专利1项。 

　　论文第一作者为上海硅酸盐所与华中师范大学联合培养研究生武彤，通讯作者为上海硅酸盐所石云副研究员和华中师范大学黄新堂教授。以上研究工作得到了国家自然科学基金（No. 62175249）等项目的支持。 

　　文章链接： 

　　Crystal growth & Design: https://doi.org/10.1021/acs.cgd.1c00779 

　　CrystEngComm: https://doi.org/10.1039/D1CE01617B 

　　Materials: https://doi.org/10.3390/ma15062044

浮区法（Floating Zone Method, 简称FZ法）生长晶体示意图

光浮区法Ce:GGAG晶体生长中的熔区实时照片(a - c); 移行助剂法熔区稳定照片(d)

光浮区法生长的0.2 - 0.8 at. % Ce:GGAG晶体 (双面抛光1.0 mm厚) 

光浮区法生长的1 - 66 at. % Tb共掺的Ce:GGAG晶体

光浮区法生长的0.2 - 0.8 at. % Ce:GGAG晶体的荧光和闪烁性能。(a) 450 nm激发下陶瓷的荧光光谱；(b) 450 nm激发下晶体的荧光光谱；(c) 晶体和陶瓷的荧光强度随浓度变化的规律；(d) 晶体的归一化荧光光谱；(e) gamma射线(¹³⁷Cs，662 keV)激发下的脉冲高度谱(f) gamma射线(¹³⁷Cs，662 keV)激发下的闪烁衰减时间