把“陷阱”变成“高速通道”——In³⁺共掺杂SrF₂:Ce³⁺实现快闪烁与低陷阱浓度

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把“陷阱”变成“高速通道”——In³⁺共掺杂SrF₂:Ce³⁺实现快闪烁与低陷阱浓度(DOI: 10.1039/d0ra00865f)

电子陷阱是限制闪烁晶体时间分辨率和光产额的“头号顽疾”。俄罗斯科学院地球化学研究所联合伊尔库茨克国立技术大学，在《RSC Advances》2020年第10卷报道了一种简洁高效的“缺陷工程”策略：在SrF₂:Ce³⁺中引入少量In³⁺（1–7 mol%），利用In-5s轨道在导带底形成1.4 eV宽度的“电子亚带”，使原本0.7–0.8 eV的浅陷阱“落入”亚带而被旁路。结果——热释光（TSL）强度下降一个量级，伽马激发闪烁衰减中的慢成分显著抑制，而光产额保持不变，为石油测井、安全检测等高温应用场景提供了新型非吸湿、快响应闪烁材料。

一、陷阱“拖尾”从何而来？
SrF₂:Ce³⁺具有不吸湿、高温稳定性好的优点，但X射线激发下常出现180 ns–数微秒的慢分量，源于电子被0.63–0.73 eV浅陷阱捕获后再热释放到Ce³⁺发光中心。传统方法靠“纯化”降低缺陷，效果有限；本文转向“能带工程”——让陷阱在能量上“失效”。

二、In³⁺的“电子桥”机理

• DFT（PBE0）计算：
  
  • 在2×2×2超胞中，用间隙F⁻补偿In³⁺电荷，发现In-5s在导带底下方≈1 eV处出现局域态；
  • 随In浓度增至8.3 mol%，局域态展宽为1.4 eV的亚带，与导带底交叠。
    
• 实验验证：
  
  • 真空紫外吸收显示带边红移，与计算趋势一致；
  • 间隙F⁻的2p轨道仅在价带顶引入局域态，不干扰电子输运。
    

三、热释光“消失”实验

• 纯Ce样品：270 K处出现强TSL峰，对应0.69/0.73 eV双陷阱；
• Ce/In共掺样品：同一温度区间TSL强度降至<1/10，且峰位不变——证明陷阱未减少，但电子一旦落入In亚带即被快速导走，不再延迟发光。
  

四、闪烁动力学“提速”
¹³⁷Cs（662 keV）激发衰减曲线：

• 纯Ce：多指数拟合含30 %慢成分（>1 μs）；
• Ce + 3 %In：慢成分<5 %，整体衰减趋近单指数30 ns（Ce³⁺本征寿命）。
  X射线激发光谱（图5）显示310/325 nm Ce³⁺发光带强度不变，说明光产额未牺牲。
  

五、结论与展望
工作首次将“高第三电离势”In³⁺用作SrF₂的“电子陷阱稀释剂”，通过形成亚带而非扩大导带，实现：

• 电子陷阱有效深度≈0 eV；
• 时间分辨率提升>3倍；
• 工艺简单，与Stockbarger生长兼容。
  下一步可把In³⁺策略推广到CaF₂、BaF₂乃至其他稀土激活剂（Pr³⁺、Nd³⁺），并配合Ga³⁺、Sc³⁺等多价共掺，构建“无陷阱”快闪烁家族，满足高能物理、医学成像对亚纳秒时间分辨的迫切需求。