一种带有光子晶体结构的闪烁体及其制备方法与应用

本发明涉及核辐射探测，尤其是涉及一种带有光子晶体结构的闪烁体及其制备方法与应用。

背景技术：

1、闪烁体是核医学成像、高能物理探测和辐射监测等领域中的关键功能材料，其性能直接影响探测器的灵敏度和能量分辨率。闪烁体因具有密度高、有效原子序数大、化学稳定性好等优点，被广泛应用于γ射线探测器中。然而，闪烁体折射率较高，在与空气或光电探测器耦合过程中，界面处易发生严重的全内反射，导致大量闪烁光被限制在材料内部，光输出利用率较低。

2、为提高闪烁体的光输出效率，现有技术通常采用表面粗化、反射膜包覆以及人工微结构等方式来改善光的提取条件。其中，在闪烁体表面引入周期性光子晶体结构，被认为是一种能够有效调控光传播行为、增强光提取效率的手段。光子晶体结构可通过布拉格衍射、模式耦合等机制，将原本受全内反射限制的导模光耦合至自由空间，从而提高出射光强。

3、目前，闪烁体表面光子晶体结构多采用胶体自组装、薄膜沉积或纳米压印等方法制备。然而，上述方法普遍存在结构与基体结合力不足、易脱落、热稳定性差以及光子晶体材料与闪烁体折射率不匹配等问题，尤其在与光电探测器长期耦合或实际应用条件下，结构稳定性和重复性受到限制。此外，引入异质材料还可能在界面产生额外的反射损耗，削弱光子晶体结构对光输出的增强效果。

4、专利cn 105350077a公开了一种利用聚合物模板制备光子晶体闪烁体的方法，包括闪烁体表面聚合物微球阵列的制备、反应离子束刻蚀、镀制覆盖层、去除微球等四个步骤，制备得到相应介质材料的反蛋白石结构光子晶体，即在闪烁体表面获得了具有六角周期孔洞结构的高折率透明介质。与现有技术相比，该发明制备出的光子晶体具有大面积，无聚合物成分，折射率衬度大等优点，即可保证足够的光提取效率，又能够保证在核辐射环境下保持足够的抗辐照性能。但是该方法通常需要在闪烁体表面引入额外的异质材料层，由于材料间存在折射率差异，界面处可能产生光学损耗；同时，外加结构与基底之间的结合强度有限，长期稳定性仍有待提升。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了提供一种带有光子晶体结构的闪烁体及其制备方法与应用，不引入异质材料且结构牢固。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种带有光子晶体结构的闪烁体，所述闪烁体以聚苯乙烯微球阵列作为刻蚀掩模，通过刻蚀在闪烁体基片表面引入光子晶体结构。

3、优选地，所述闪烁体基片为无机闪烁体材料。

4、进一步优选地，所述闪烁体基片为非潮解型闪烁体材料。

5、更进一步优选地，所述闪烁体基片材料包括bi4ge3o12、lu2sio5:ce、(lu,y)2sio5:ce、baf2、y3al5o12:ce、pbwo4或闪烁玻璃。

6、本发明适用于具有较高折射率且结构稳定的无机闪烁体材料。优选为非潮解型闪烁体材料，以保证在微纳结构加工过程中具有良好的环境稳定性。

7、优选地，所述光子晶体结构为刻蚀在闪烁体基片出光面上的周期性柱状阵列，由纳米柱六角堆积阵列组成。

8、一种上述带有光子晶体结构的闪烁体的制备方法，包括以下步骤：

9、（1）将聚苯乙烯微球溶液通过自组装方法，在闪烁体基片表面形成聚苯乙烯微球阵列；

10、（2）将表面带有聚苯乙烯微球阵列的闪烁体基片加热；

11、（3）利用等离子体刻蚀缩小闪烁体基片表面聚苯乙烯微球体积；

12、（4）以等离子体刻蚀后的聚苯乙烯微球阵列作为刻蚀掩模，利用等离子体刻蚀在闪烁体基片表面引入光子晶体结构，得到所述带有光子晶体结构的闪烁体。

13、在具体制备过程中，本发明采用聚苯乙烯微球阵列作为刻蚀掩模。为了在刻蚀过程中形成柱状结构，需要首先通过等离子体刻蚀对聚苯乙烯微球进行缩球处理，以减小微球直径并暴露出相邻微球之间的闪烁体表面区域，从而为后续刻蚀提供暴露面积。当缩球程度较小时，微球之间暴露面积有限，刻蚀后形成的结构间隙较小，不利于刻蚀气体进入并形成稳定的柱状结构；而当缩球程度过大时，微球尺寸过小，会导致刻蚀掩模稳定性降低，造成结构尺寸不均匀。通过实验发现，当聚苯乙烯微球缩球后间隙合适时，能够提供足够的暴露区域以保证刻蚀气体与闪烁体表面的有效反应，从而形成稳定的纳米柱结构。此外适中的占空比有利于光输出的提升。

14、所述的柱状阵列的制备方法包括：首先按一定比例配制聚苯乙烯微球溶液，通过自组装方法，在闪烁体表面形成单层六角密堆积的聚苯乙烯微球阵列作为掩模，微球阵列的周期由闪烁体发光性质决定。随后将样品放入加热箱中加热，以增加掩模与闪烁体的结合力。最后利用等离子体刻蚀以缩小微球体积，暴露闪烁体面积以方便后续刻蚀。将处理后的ps微球作为掩模，利用等离子体刻蚀在闪烁体表面刻蚀出周期性光子晶体结构。

15、优选地，步骤（1）所述闪烁体基片经过切割、抛光和清洗预处理。

16、优选地，步骤（1）所述聚苯乙烯微球阵列为单层六角密堆积微球阵列。

17、优选地，步骤（4）利用等离子体刻蚀在闪烁体基片表面引入光子晶体结构后，去除聚苯乙烯微球，得到所述带有光子晶体结构的闪烁体。

18、优选地，步骤（1）具体包括以下步骤：

19、（11）将聚苯乙烯微球溶液滴在硅片上，静置 5~10 分钟，使聚苯乙烯微球在硅片表面自组装形成单层聚苯乙烯微球阵列；

20、（12）所述硅片上溶液干燥后，将硅片斜切入去离子水中，使得硅片上的聚苯乙烯微球阵列完全脱落并浮于水面，静置2-4h，使得水面形成单层聚苯乙烯微球阵列；

21、（13）用闪烁体基片捞取步骤（12）所述单层聚苯乙烯微球阵列，使单层聚苯乙烯微球阵列附着在闪烁体基片出光面。

22、进一步优选地，所述硅片在质量分数为10%~20%的十二烷基硫酸钠溶液中浸泡24h以上。

23、优选地，步骤（1）所述聚苯乙烯微球直径为1μm或2μm。

24、优选地，步骤（2）所述加热温度为85~95℃，时间为10~15min。

25、优选地，步骤（3）所述等离子刻蚀条件包括：

26、刻蚀气体为o2和ar，电感耦合等离子功率100-300 w，射频功率150-200w，o2气流量50-100 sccm，ar气流量10-50sccm。

27、进一步优选地，当所述聚苯乙烯微球直径为1μm时，步骤（3）刻蚀时间为100-140s。

28、进一步优选地，当所述聚苯乙烯微球直径为2μm时，步骤（3）刻蚀时间为220-260s。

29、优选地，步骤（3）利用等离子体刻蚀缩小闪烁体基片表面聚苯乙烯微球体积至直径为原来的0.8-0.9倍。

30、进一步优选地，步骤（3）利用等离子体刻蚀缩小闪烁体基片表面聚苯乙烯微球体积至直径为原来的0.82-0.85倍。

31、优选地，步骤（4）所述在闪烁体基片表面引入光子晶体结构的等离子刻蚀条件包括：

32、刻蚀气体为sf6，气流量45-65sccm，电感耦合等离子体功率400-500w，射频功率90-150w。

33、进一步优选地，当所述聚苯乙烯微球直径为1μm时，步骤（4）刻蚀时间为250-350s。

34、进一步优选地，当所述聚苯乙烯微球直径为2μm时，步骤（4）刻蚀时间为550-650s。

35、一种上述带有光子晶体结构的闪烁体的应用，将所述闪烁体用于核辐射探测。

36、与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

37、1）本发明通过 icp 刻蚀在闪烁体本体表面直接形成光子晶体结构，避免引入异质材料，所形成的光子晶体结构与闪烁体材料折射率一致，能够有效降低界面反射损耗，改善闪烁光的出射条件，提高光输出效率。

38、2）本发明不引入异质材料且结构牢固，由于光子晶体结构直接由闪烁体本体材料构成，因此具有良好的机械稳定性和长期稳定性，经过有机溶剂擦拭和超声波清洗后不出现脱落或界面失效问题。

39、3）本发明提供了一种利用刻蚀制备闪烁体表面光子晶体结构以增强光输出的方法。

40、4）本发明方法可以大面积制备，成本低廉，易于推广。

41、5）本发明通过调控光子晶体结构几何参数，实现对闪烁光传播模式的调控，使部分受全反射限制的光子能够通过散射、衍射及模式耦合作用进入外部介质，从而进一步提高闪烁体的光提取效率。