近日，晶体材料国家重点实验室陶绪堂教授团队采用水溶液法在Cs₃Cu₂I₅单晶中微掺杂异价磁性离子实现了创纪录的闪烁性能，其光产额达95,700 photons/MeV（¹³⁷Cs），闪烁衰减时间为3 ns (81.5%),能量分辨率为3.79%（662 KeV）。该单晶具有低成本、高密度（4.56 g/cm³）、高有效原子序数（52.2）、无自吸收、无放射性本底、无解理面、无毒性元素、优异的化学稳定性、不易潮解，对空气中光线不敏感等特点。这些突出的闪烁性能，适合实际应用的固有物理特性以及低成本制备优势，使得该单晶可能成为一种理想的闪烁体，展现出广阔的应用前景。

相关研究成果以“Achieving a record scintillation performance by micro-doping heterovalent magnetic ion in Cs₃Cu₂I₅single-crystal”为题在线发表于国际期刊Advanced Materials（Adv. Mater. 2023, 2304938. DOI: 10.1002/adma.202304938）。晶体材料国家重点实验室姚倩博士后和军事科学院李家明博士是本文的共同第一作者，山东大学为第一作者和第一通讯单位。

图1、Cs₃Cu₂I₅:Mn单晶及其晶体质量表征

图2、Cs₃Cu₂I₅:Mn单晶的闪烁衰减时间

图3、Cs₃Cu₂I₅:Mn单晶的光产额和能量分辨率

闪烁体是一种能有效地吸收电离辐射并将能量转化为光的发光材料。经过100多年的探索和研究，目前已开发出几十种有价值的闪烁体，在核医学成像诊断、高能物理、核物理、天体物理、安全检查、地质勘探等领域都有广泛的应用。然而，到目前为止，还没有一个闪烁体能够提供所需的高光输出、超快闪烁衰减、优良的环境稳定性和低成本的完美结合。例如：备受瞩目的LaBr₃:Ce晶体是目前已知综合性能最好的闪烁体，具有光输出高（60,000~70,000 photons/MeV）、能量分辨率低（<3%）和衰变时间短（16~20 ns）等优点。然而，该晶体具有放射性本底和极易潮解的缺点，而且生产成本高。

陶绪堂团队发现异价磁性离子的微掺杂（ppm级别）可以有效调节闪烁体中自俘获激子的发光动力学。在Cs₃Cu₂I₅单晶中均匀引入微量磁性离子Mn²⁺（~18.6 ppm），采用溶液法生长了高质量的体块Cs₃Cu₂I₅:Mn单晶闪烁体。他们与军事科学院王尊刚团队合作，发现该单晶展现出超快的闪烁衰减时间和超高的光产额。

该工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金和和晶体材料国家重点实验室的大力支持。

相关链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202304938

文章来源：山东大学晶体材料国家重点实验室