CN110878426A - 一种铈离子掺杂的钨酸钆钠晶体及其制备方法和应用 - Google Patents

一种铈离子掺杂的钨酸钆钠晶体及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铈离子掺杂的钨酸钆钠晶体及其制备方法和应用，所述钨酸钆钠晶体中掺杂有Ce3+，其化学式为Ce3+:NaGd(WO4)2，Ce3+的掺杂量为0.05～0.8 mol%。

Description

一种铈离子掺杂的钨酸钆钠晶体及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种铈离子掺杂的钨酸钆钠(NaGd(WO4)2，简称NGW)晶体及其制备方法和闪烁发光性质，属于闪烁晶体材料领域。
背景技术
近年来，无机闪烁晶体在核医学成像、高能物理、油井勘探、安全稽查等方面得到广泛应用，寻求具有高光输出、快衰减的无机闪烁晶体成为近年来人们研究的热点。由于Ce3+离子的发光属于5d-4f电偶极允许跃迁，其发光强度大，衰减快，且具有良好的时间分辨率和能量分辨率，因而掺铈的闪烁晶体受到广泛关注。常见的非本征型Ce3+离子激活的闪烁体包括氟化物、溴化物等卤化物晶体和硅酸盐、硼酸盐等氧化物晶体，两类晶体都具有高光输出、快衰减的闪烁特性，但是前者的潮解特性，后者的熔点高、生长困难和成本高等问题，使这些晶体的应用受到很大限制，因而促使人们去发现和研究熔点较低(如1300℃以下)且适合于Ce3+离子的掺入，并且能够有效发光的高密度晶体材料。
钨酸钆钠(NaGd(WO4)2，简称NGW)晶体属于四方晶系白钨矿(CaWO4)结构，其密度＞6.0g/cm3，熔点约为1250℃。钨酸钆钠晶体作为发光基质吸收能量后，能够将能量传递给激活离子，从而增强发光中心的发光效率，同时钨酸钆钠晶体具有良好的物化性能稳定、阈值低、可高浓度掺杂和一致熔融等特点，是一种优良的光学晶体基质材料，而其作为闪烁晶体的相关研究却鲜有报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铈离子掺杂的钨酸钆钠晶体，采用坩埚下降法(BridgmanMethod)进行晶体的生长和制备，通过三价铈离子的掺杂使得钨酸钆钠晶体在360～650nm波长范围内出现宽带闪烁发光。
一方面，本发明提供一种铈离子掺杂的钨酸钆钠晶体，所述钨酸钆钠晶体中掺杂有Ce3+，其化学式为Ce3+:NaGd(WO4)2，Ce3+的掺杂量(相对于NGW的物质的量)为0.05～0.8mol％。
与纯NGW晶体相比，掺Ce3+的NGW晶体在360～650nm波长范围内的发光强度明显增大，约有20倍以上，发光峰值位于490nm附近，因而有望在闪烁探测材料方面得到应用。
优选地，所述Ce3+的掺杂量为0.05～0.09mol％。
优选地，所述晶体在400～650nm波长范围内出现宽带闪烁发光；其中，当Ce3+的掺杂量为0.05～0.5mol％时，发光峰位位于470nm；当Ce3+的掺杂量为0.8mol％时，发光峰位红移至490nm。
第二方面，本发明提供上述铈离子掺杂的钨酸钆钠晶体的制备方法，包括以下步骤：采用固相法制备钨酸钆钠多晶料，再按掺杂量掺入掺杂剂，得到晶体生长原料；
将所得晶体生长原料在空气气氛下用坩埚下降法进行晶体生长。
优选地，所述钨酸钆钠多晶料的制备包括：将Na2CO3、WO3、Gd2O3按化学反应计量比配比称量、混合均匀并压制成块，在850～950℃下烧结24～36小时。
优选地，Na2CO3在混料前于100～200℃焙烧1～3小时烘干除水。
优选地，所述掺杂剂为CeO2粉末。
优选地，掺杂剂的掺入采用机械混合方式。
优选地，原材料Na2CO3、WO3、Gd2O3以及掺杂剂CeO2的纯度均大于99.99％。
优选地，晶体生长时，采用钨酸钆钠晶体作为籽晶。
优选地，晶体生长包括如下步骤：将晶体原料和籽晶装入坩埚并封闭后，升温至1250～1350℃，待晶体原料全部熔化后，开始晶体的生长，坩埚的下降速率0.2～1.0mm/h，生长界面的温度梯度为40～70℃/cm；生长结束后，自然冷却至室温，得到所述铈离子掺杂的钨酸钆钠晶体。
第三方面，本发明还提供铈离子掺杂的钨酸钆钠晶体在闪烁晶体材料中的应用。
附图说明
图1是由对比例(左一)、实施例1(左二)、实施例3(左三)和实施例4(左四)所获得的晶体经加工为尺寸为Φ15×2mm的晶片。
图2是实施例2所获得的晶体毛坯，尺寸为Φ15×70mm。
图3是对比例及实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和实施例5所获得的晶片在尺寸均为Φ15×2mm下，激发波长均为256nm，在360～650nm波长范围内检测得到的荧光发射光谱对比图。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
在此公开一种铈离子掺杂的钨酸钆钠晶体，在钨酸钆钠晶体中掺杂有Ce3+，其化学式为Ce3+:NaGd(WO4)2。
本公开的铈离子掺杂的钨酸钆钠晶体(简称Ce3+:NGW晶体)具有闪烁发光性能，在360～700nm(尤其是400～650nm)波段范围内出现宽带闪烁发光，发光峰值位于490nm附近。
在可选的实施方式中，Ce3+的掺杂量可为0.05～0.8mol％。这里，Ce3+的掺杂量是相对于NaGd(WO4)2的摩尔百分比，优选为0.05～0.09mol％，在该范围内晶体发光强度较大。优选实施方式中，Ce3+的掺杂量为0.1～0.8mol％，由于掺杂离子浓度猝灭，随着Ce3+的掺杂量的增加反而使得晶体的发光强度减弱。
本公开中，可以采用坩埚下降法生长Ce3+:NGW晶体。以下，示例性说明具体制备步骤。
首先，制备晶体生长原料。优选实施方式中，先制备钨酸钆钠多晶料(简称NGW多晶料)，再按掺杂量掺入掺杂剂，得到晶体生长原料。
钨酸钆钠多晶料可通过固相法制备。一实施方式中，将Na2CO3、WO3、Gd2O3按化学反应计量比配比称量、混合均匀并压制成块，在850～950℃下烧结24～36小时冷却后取出，加以碾碎，即得NGW多晶料。其中，原料Na2CO3在称量前可以先于100～200℃焙烧1～3小时烘干除水。
掺杂剂可以是CeO2粉末。掺杂剂的掺入方式没有特别限定，只要能将NGW多晶料与掺杂剂混合均匀即可，例如可采用机械混合方式等。所述的Ce3+离子的掺杂量是相对于NGW多晶料的摩尔百分比。
原料Na2CO3、WO3和Gd2O3以及掺杂剂CeO2的纯度均优选大于99.99％。
将晶体生长原料和籽晶装入坩埚中，用坩埚下降法进行晶体生长。
籽晶可采用钨酸钆钠籽晶(简称NGW籽晶)。
晶体生长气氛可为空气气氛。
将坩埚封闭后放入引下管内，经10～20小时将炉温升至1250～1350℃，保温4～6小时。然后逐渐提升引下管，待原料全部熔化后，再以0.2～1.0mm/h的速度下降引下管，进行晶体生长将晶体原料和籽晶装入坩埚并封闭后，升温至1250～1350℃，待晶体原料全部熔化后，开始晶体的生长，其中，坩埚的下降速率0.2～1.0mm/h，生长界面的温度梯度为40～70℃/cm；生长结束后，自然冷却至室温，得到所述铈离子掺杂的钨酸钆钠晶体。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
对比例和实施例中所用的晶体生长设备采用中国专利ZL94114075.X中所述的生长设备的结构。
对比例
(1)将原料Na2CO3于120℃焙烧2小时除水后，与Gd2O3、WO3按化学反应计量比1:1:4配比称量、混合均匀并压制成块，在900℃下烧结24小时，冷却后取出，加以碾碎，得到NGW多晶料。
(2)采用尺寸Φ15×200mm，壁厚0.14mm的圆柱状铂金坩埚，采用尺寸Φ10×40mm的NGW晶体作为籽晶，将NGW多晶料装入坩埚中，再将坩埚置入引下管内，经15小时将炉温升至1300℃，然后保温3小时并逐渐提升引下管，当坩埚底部温度达到NGW熔点时，开启下降装置开始晶体生长，下降速率0.3mm/h。
(3)生长结束，关闭电源，使炉体自然冷却至室温，取出坩埚，将晶体从坩埚中剥离，获得无色NGW晶体。
图1为本对比例获得的晶体经加工后得到的晶片(左1)，尺寸为Φ15×2mm。
图3为本对比例获得的晶体经加工后得到的晶片的X射线激发发射光谱。
实施例1
(1)将原料Na2CO3于120℃焙烧1小时除水后，与Gd2O3、WO3按化学反应计量比1:1:4配比称量、混合均匀并压制成块，在900℃下烧结30小时，冷却后取出，加以碾碎，得到NGW多晶料。
(2)采用尺寸Φ15×200mm，壁厚0.14mm的圆柱状铂金坩埚，采用尺寸Φ10×40mm的NGW晶体作为籽晶，将NGW多晶料和掺杂剂CeO2粉体(Ce3+掺杂量为0.05mol％)混合均匀后，再和籽晶装入铂金坩埚，再将坩埚置入引下管内，经12小时将炉温升至1300℃，然后保温3小时并逐渐提升引下管，当坩埚底部温度达到NGW熔点时，开启下降装置开始晶体生长，下降速率0.4mm/h。
(3)生长结束，关闭电源，使炉体自然冷却至室温，取出坩埚，将晶体从坩埚中剥离，获得浅黄色Ce:NGW晶体。
将所得晶体加工为Φ15×2mm晶片，两端面抛光后，进行X射线激发发射光谱测试。
图1为本实施例1获得的晶体经加工后得到的晶片(左2)，尺寸为Φ15×2mm。
图3为本实施例1获得的晶体经加工后得到的晶片的X射线激发发射光谱。
实施例2
(1)将原料Na2CO3于120℃焙烧2小时除水后，与Gd2O3、WO3按化学反应计量比1:1:4配比称量、混合均匀并压制成块，在900℃下烧结28小时，冷却后取出，加以碾碎，得到NGW多晶料。
(2)采用尺寸Φ15×200mm，壁厚0.14mm的圆柱状铂金坩埚，采用尺寸Φ10×40mm的NGW晶体作为籽晶，将NGW多晶料和掺杂剂CeO2粉体(Ce3+掺杂量为0.1mol％)混合均匀后，再和籽晶装入铂金坩埚，再将坩埚置入引下管内，经12小时将炉温升至1300℃，然后保温3小时并逐渐提升引下管，当坩埚底部温度达到NGW熔点时，开启下降装置开始晶体生长，下降速率0.4mm/h。
(3)生长结束，关闭电源，使炉体自然冷却至室温，取出坩埚，将晶体从坩埚中剥离，获得浅黄色Ce:NGW晶体。
图1为本实施例2获得的晶体经加工后得到的晶片(左3)，尺寸为Φ15×2mm。
图2为本实施例2获得的晶体毛坯，尺寸为Φ15×70mm。
图3为本实施例2获得的晶体经加工后得到的晶片的X射线激发发射光谱。
实施例3
(1)将原料Na2CO3于120℃焙烧1小时除水后，与Gd2O3、WO3按化学反应计量比1:1:4配比称量、混合均匀并压制成块，在900℃下烧结32小时，冷却后取出，加以碾碎，得到NGW多晶料。
(2)采用尺寸Φ15×200mm，壁厚0.14mm的圆柱状铂金坩埚，采用尺寸Φ10×40mm的NGW晶体作为籽晶，将NGW多晶料和掺杂剂CeO2粉体(Ce3+掺杂量为0.2mol％)混合均匀后，再和籽晶装入铂金坩埚，再将坩埚置入引下管内，经15小时将炉温升至1320℃，然后保温4小时并逐渐提升引下管，当坩埚底部温度达到NGW熔点时，开启下降装置开始晶体生长，下降速率0.5mm/h。
(3)生长结束，关闭电源，使炉体自然冷却至室温，取出坩埚，将晶体从坩埚中剥离，获得黄色Ce:NGW晶体。
图1为本实施例3获得的晶体经加工后得到的晶片(左4)，尺寸为Φ15×2mm。
图3为本实施例3获得的晶体经加工后得到的晶片的X射线激发发射光谱。
实施例4
(1)将原料Na2CO3于100℃焙烧2小时除水后，与Gd2O3、WO3按化学反应计量比1:1:4配比称量、混合均匀并压制成块，在900℃下烧结25小时，冷却后取出，加以碾碎，得到NGW多晶料。
(2)采用尺寸Φ15×200mm，壁厚0.14mm的圆柱状铂金坩埚，采用尺寸Φ10×40mm的NGW晶体作为籽晶，将NGW多晶料和掺杂剂CeO2粉体(Ce3+掺杂量为0.5mol％)混合均匀后，再和籽晶装入铂金坩埚，再将坩埚置入引下管内，经12小时将炉温升至1300℃，然后保温3小时并逐渐提升引下管，当坩埚底部温度达到NGW熔点时，开启下降装置开始晶体生长，下降速率0.4mm/h。
(3)生长结束，关闭电源，使炉体自然冷却至室温，取出坩埚，将晶体从坩埚中剥离，获得黄色Ce:NGW晶体。
图1为本实施例4获得的晶体经加工后得到的晶片(左5)，尺寸为Φ15×2mm。
图3为本实施例4获得的晶体经加工后得到的晶片的X射线激发发射光谱。
实施例5
(1)将原料Na2CO3于100℃焙烧1小时除水后，与Gd2O3、WO3按化学反应计量比1:1:4配比称量、混合均匀并压制成块，在900℃下烧结36小时，冷却后取出，加以碾碎，得到NGW多晶料。
(2)采用尺寸Φ15×200mm，壁厚0.14mm的圆柱状铂金坩埚，采用尺寸Φ10×40mm的NGW晶体作为籽晶，将NGW多晶料和掺杂剂CeO2粉体(Ce3+掺杂量为0.8mol％)混合均匀后，再和籽晶装入铂金坩埚，再将坩埚置入引下管内，经15小时将炉温升至1350℃，然后保温5小时并逐渐提升引下管，当坩埚底部温度达到NGW熔点时，开启下降装置开始晶体生长，下降速率0.6mm/h。
(3)生长结束，关闭电源，使炉体自然冷却至室温，取出坩埚，将晶体从坩埚中剥离，获得黄色Ce:NGW晶体。
图1是由对比例(左一)、实施例1(左二)、实施例2(左三)实施例3(左四)、实施例4(左五)和实施例5(左六)所获得的晶体加工为尺寸为Φ15×2mm的晶片。
图2是实施例2所获得的晶体毛坯，尺寸为Φ15×70mm。
图3是本发明获得的晶体经加工后得到的晶片的X射线激发发射光谱。
由图1所示结果可见：掺入Ce3+离子后，NGW晶体由无色转变为黄色。
由图3所示结果可见：在X射线激发下，晶片在360～650nm波段范围内出现宽带发光，并且发光强度随Ce3+离子掺杂浓度的增加而降低，当掺杂浓度低于0.5％时，发光峰值位于470nm附近，当掺杂浓度达到0.8％时，发光峰值出现了红移，为490nm附近。而且，当Ce3+低于0.1的掺杂浓度也是适宜的。

Claims (10)

1.一种铈离子掺杂的钨酸钆钠晶体，其特征在于，所述钨酸钆钠晶体中掺杂有Ce3+，其化学式为Ce3+: NaGd(WO4)2，Ce3+的掺杂量为0.05～0.8 mol%。
2.根据权利要求1所述的铈离子掺杂的钨酸钆钠晶体，其特征在于，所述Ce3+的掺杂量为0.05～0.09 mol%。
3.根据权利要求1或2所述的铈离子掺杂的钨酸钆钠晶体，其特征在于，所述铈离子掺杂的钨酸钆钠晶体在360～650 nm波长范围内出现宽带闪烁发光；其中，当Ce3+的掺杂量为0.05～0.5 mol%时，发光峰位位于470nm；当Ce3+的掺杂量为0.8 mol%时，发光峰位红移至490nm。
4.一种权利要求1-3中任一项所述的铈离子掺杂的钨酸钆钠晶体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用固相法制备钨酸钆钠多晶料，再按掺杂量掺入掺杂剂，得到晶体生长原料；
将所得晶体生长原料在空气气氛下用坩埚下降法进行晶体生长。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述钨酸钆钠多晶料的制备包括：将Na2CO3、WO3、Gd2O3按化学反应计量比配比称量、混合均匀并压制成块，在850～950℃下烧结24～36 小时；优选地，Na2CO3在混料前于100～200℃焙烧1～3小时烘干除水。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述掺杂剂为CeO2粉末；优选地，掺杂剂的掺入采用机械混合方式。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，原材料Na2CO3、WO3、Gd2O3以及掺杂剂CeO2的纯度均大于99.99%。
8.根据权利要求4-7中任一项所述的制备方法，其特征在于，晶体生长时，采用钨酸钆钠晶体作为籽晶。
9.根据权利要求4-8中任一项所述的制备方法，其特征在于，晶体生长包括如下步骤：将晶体原料和籽晶装入坩埚并封闭后，升温至1250～1350℃，待晶体原料全部熔化后，开始晶体的生长，坩埚的下降速率0.2～1.0mm/h，生长界面的温度梯度为40～70℃/cm；生长结束后，自然冷却至室温，得到所述铈离子掺杂的钨酸钆钠晶体。
10.一种如权利要求1-3中任一项所述的铈离子掺杂的钨酸钆钠晶体用作闪烁晶体材料。
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