发展更高空间分辨、更高能量分辨和更高灵敏度的辐射探测器件是辐射探测领域研究的前沿热点问题。作为闪烁探测系统的核心材料，闪烁晶体的性能直接影响探测器的探测能力，成为制约闪烁探测技术发展的关键因素。近年来，一类基于低维分子结构的强限域激子发光型闪烁晶体，表现出宽光谱发射、无自吸收、高发光效率和高温度稳定性等突出优点，有望突破传统离子发光型闪烁晶体的性能瓶颈，已成为当前闪烁体领域的重要研究方向。

在前期的研究中，中国科学院上海硅酸盐研究所吴云涛研究员团队创制出一系列高性能卤化物闪烁体：具有高能谱分辨能力的零维结构Cs₃Cu₂I₅（Physica Status Solidi RRL, 2020）和Cs₃Cu₂I₅:Tl晶体（Advanced Optical Materials, 2021）；可实现高分辨硬X射线成像的Cs₃Cu₂I₅:In晶体（Advanced Optical Materials, 2022）；满足高时空分辨成像的一维结构Cs₅Cs₃Cl₆I₂晶体和薄膜（Science Advances, 2023）；可用于非平面成像的有机无机杂化零维结构(BTPP)₂MnX₄薄膜（Laser & Photonics Reviews, 2024）等。然而，当前对于低维结构卤化物晶体的限域闪烁发光效应仍缺乏深入认识，特别是电离激发下激子态相互作用，以及微观缺陷对限域闪烁发光过程的影响。

近日，上海硅酸盐所吴云涛研究员团队在低维结构（零维和一维）金属卤化物晶体的限域闪烁发光效应研究方面取得新进展。与光致激发不同，卤化物晶体（特别是溴化物和碘化物）在电离辐射激发下中存在强激子-激子相互作用，引起非辐射俄歇效应，极大降低了闪烁发光效率。为此，研究团队针对具有高发光效率的零维结构Cs₃Cu₂I₅:Tl晶体，结合中子衍射、变温光谱与衰减动力学测试、激发态密度泛函理论计算等研究手段，揭示了Tl离子掺杂极大提升Cs₃Cu₂I₅晶体光产额的根本原因是Tl离子掺杂形成高发光效率Tl束缚激子态，实现了激子高效俘获，有效抑制激子-激子相互作用。进一步地，利用本征自陷激子态和Tl束缚激子态在不同电离密度激发下的脉冲波形响应差异，实现了Cs₃Cu₂I₅:Tl晶体的高效α和β粒子甄别，以及放射性²²⁰Rn气体高效探测，有望应用于环境辐射监测领域。相关研究成果以“Exciton-Harvesting Enabled Efficient Charged Particle Detection in Zero-Dimensional Halides”为题发表在Light: Science & Applications期刊上（DOI:10.1038/s41377-024-01532-z）。上海硅酸盐所王谦助理工程师、中国有研科技集团王承二博士和北京航空航天大学时洪亮教授为论文共同第一作者，上海硅酸盐所吴云涛研究员、西北核技术研究院欧阳晓平院士和高能物理研究所孙希磊副研究员为通讯作者。

电离辐射激发下的激子俘获策略提升零维铜基卤化物闪烁效率和带电粒子甄别能力

一维结构Rb₂AgBr₃晶体具有超快闪烁发光特性，在GHz X射线和飞行时间成像技术方面具有重要的应用前景。研究团队发现Rb₂AgBr₃晶体在皮秒X射线激发下可实现约3 ns的超快闪烁发光，以及²²Na源伽马射线激发下3100 photons MeV^-1的光产额。进一步利用变温X射线激发发射光谱、电子顺磁共振谱和热释光谱等技术手段，揭示了Rb₂AgBr₃晶体的超快闪烁发光来源于溴空位束缚电子所形成的F心发光。具体来说，由于其一维结构的载流子限域效应，自陷激子态可局域在F心周围，基于发射光谱与F心激发光谱的重叠实现了从激子态向F心的超快非辐射能量传递。该工作首次证实了低维结构金属卤化物中基于F心实现超快闪烁发光的可行性。相关研究成果以“Deciphering the Mechanism of Ultrafast Scintillation in 1D Silver Halides”为题发表于Laser & Photonics Reviews期刊上（DOI:10.1002/lpor.202400518）。论文第一作者为上海硅酸盐所闻学敏博士研究生，通讯作者为上海硅酸盐所吴云涛研究员和中国工程院院士、西北核技术研究院研究员欧阳晓平。

自陷激子与溴空位F心的超快非辐射能量传递实现一维银基卤化物超快闪烁发光

上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划和上海市探索者计划等项目资助和支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41377-024-01532-z

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202400518