Mg共掺杂Gd3(Al,Ga)5O12:Ce晶体快发光的作用机理

作者：李铭清; 王林伟; 丁栋舟^*; 冯鹤

来源：无机材料学报, 2022, 37(10): 1123-1128.

• 闪烁体
• GAGG:Ce
• 反位缺陷
• 衰减时间

Gd3(Al,Ga)5O12:Ce (GAGG:Ce)闪烁体综合性能优异,应用前景广阔。为加快GAGG的发光衰减速度,本研究通过提拉法生长了Mg共掺的Gd3(Al,Ga)5O12:Ce单晶。测试结果显示,随着Mg2+掺杂浓度增加,晶体的闪烁衰减速度加快,光输出降低。传统解释认为,Mg2+通过电荷补偿作用将部分Ce3+转换成Ce4+,后者的发光速度更快。本研究尝试从缺陷的形成与抑制的角度来讨论Mg改善GAGG:Ce晶体闪烁性能的作用机理。由于Ce的离子半径比Gd大,Ce离子掺入将导致发光中心CeGd附近的晶格发生畸变。畸变结果为近邻的八面体格位空间变大,反位缺陷将更容易在这些变大的八面体格位形成。最终每个发光中心CeGd被四个反位缺陷GdAl包裹,后者捕获载流子,延缓从基体到发光中心的能量传递,导致发光速度变慢。由于Mg的离子半径介于Gd和Al之间,MgAl将更容易在上述畸变的八面体格位形成,这会抑制反位缺陷GdAl在发光中心CeGd附近形成(或富集),最终降低(甚至消除)反位缺陷对发光中心的不良影响。XEL测试结果显示,随着Mg掺杂量增大,与反位缺陷相关的发射峰强度变弱,这可以证明Mg对反位缺陷有抑制作用。

• 单位
  中国科学院上海硅酸盐研究所; 上海大学