Ce3+和Tb3+摻雜釓-鋇-硅酸鹽閃爍玻璃的發(fā)光性能

張 勇， 呂景文， 韓 冰， 姜東月， 陳亮東

(1． 吉林師范大學(xué) 物理學(xué)院， 吉林 四平 136000； 2． 長春理工大學(xué) 材料物理與工程學(xué)院， 吉林 長春 130022 )

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Ce3+和Tb3+摻雜釓-鋇-硅酸鹽閃爍玻璃的發(fā)光性能

張 勇1,2*， 呂景文2， 韓 冰2， 姜東月1， 陳亮東1

(1． 吉林師范大學(xué) 物理學(xué)院， 吉林 四平 136000； 2． 長春理工大學(xué) 材料物理與工程學(xué)院， 吉林 長春 130022 )

采用高溫熔融法制備Ce3+或Tb3+單摻和Ce3+/Tb3+共摻釓-鋇-硅酸鹽閃爍玻璃。通過透射光譜、光致激發(fā)和發(fā)射光譜、X射線激發(fā)發(fā)射光譜及熒光衰減曲線等手段對(duì)其發(fā)光性能進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在紫外光的激發(fā)下,Tb3+摻雜閃爍玻璃發(fā)出明亮的綠光(544 nm)，而Ce3+摻雜閃爍玻璃發(fā)出藍(lán)紫光。對(duì)于Ce3+/Tb3+共摻閃爍玻璃，在紫外光和X射線激發(fā)下均觀察到Ce3+離子敏化Tb3+離子發(fā)光的現(xiàn)象，這是由于存在Ce3+→Tb3+的能量轉(zhuǎn)移。Ce3+/Tb3+共摻閃爍玻璃的最佳Ce2O3摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為0.2%，此時(shí)Ce3+離子向Tb3+離子的能量傳遞效率為45.7%。在X射線激發(fā)下，Ce2O3摩爾分?jǐn)?shù)為0.2%的Ce3+/Tb3+共摻閃爍玻璃在544 nm處的發(fā)光強(qiáng)度是Bi4Ge3O12(BGO)閃爍晶體在500 nm處發(fā)光強(qiáng)度的4.2倍，積分閃爍效率達(dá)到BGO晶體的55.6%，這有利于在高分辨率醫(yī)學(xué)成像中降低輻射劑量。

閃爍玻璃； Ce3+摻雜； Tb3+摻雜； 能量傳遞

1 引 言

稀土離子摻雜閃爍玻璃以其制備工藝簡單、成本低廉、易于多組分均勻摻雜，可以做成任意尺寸和形狀，還可以制成閃爍光纖等優(yōu)點(diǎn)，成為替代閃爍晶體的一種理想材料[1-3]。在目前研究的閃爍玻璃中，Tb3+激活閃爍玻璃成為了研究的熱點(diǎn)，其最強(qiáng)特征發(fā)射峰位于540 nm附近，與光電器件的敏感波長相匹配。但是，由于基質(zhì)玻璃中存在較多的能夠俘獲電子和空穴的點(diǎn)缺陷，易產(chǎn)生載流子的非輻射復(fù)合，因此與閃爍晶體相比，閃爍玻璃的光產(chǎn)額較低，應(yīng)用上受到了很大限制[4]。

在閃爍玻璃中引入某些具有敏化功能的稀土離子，如Ce3+、Gd3+和Dy3+等，可以提高Tb3+離子的發(fā)光性能[5-7]。在這些稀土離子中，Ce3+離子的激發(fā)和發(fā)射均屬5d-4f電偶極躍遷，為高效的寬帶吸收和發(fā)射，容易敏化其他稀土離子發(fā)光，尤其是Tb3+離子。目前，關(guān)于Ce3+和Tb3+離子間能量傳遞過程的研究已在不同的基質(zhì)玻璃中開展，如硼酸鹽玻璃[8]、磷酸鹽玻璃[9]、鋁硅酸鹽玻璃[10]和玻璃陶瓷[11]。但是，這些研究均是在紫外光的激發(fā)下完成。在高能粒子和高能光子的激發(fā)下，Ce3+對(duì)Tb3+的敏化效果如何，相關(guān)研究還鮮有報(bào)道。作為閃爍材料，其在高能粒子或光子激發(fā)下的發(fā)光性質(zhì)尤為重要，因此研究在X射線激發(fā)下Ce3+對(duì)Tb3+的敏化作用，對(duì)開發(fā)其應(yīng)用領(lǐng)域十分必要。

本文通過高溫熔融法制備Ce3+或Tb3+單摻和Ce3+/Tb3+共摻釓-鋇-硅酸鹽閃爍玻璃，并在紫外光和X射線的激發(fā)下對(duì)其發(fā)光性質(zhì)進(jìn)行了研究。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1樣品制備

實(shí)驗(yàn)中以SiO2-AlF3-BaF2-BaO-Gd2O3為基質(zhì)玻璃，摻入Ce3+和Tb3+。BaO由Ba(NO3)2引入，Tb3+由Tb4O7引入，Ce3+由CeO2引入。為了在熔制過程中形成還原氣氛，防止3價(jià)Ce離子被氧化成4價(jià)，加入一定量的Sb2O3作為澄清劑和還原劑。玻璃樣品組成的量比列于表1中。按配方稱取混合物20 g，在瑪瑙研缽內(nèi)充分研磨混合后放入氧化鋁坩堝，在1 480 ℃硅碳棒電爐中熔融1 h，然后將熔體倒入預(yù)熱鑄鐵模中淬冷成型。為消除樣品中的殘余應(yīng)力，接著在650 ℃的馬弗爐中保溫2 h，然后隨爐冷卻至室溫。為了保證樣品測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，將樣品切割并進(jìn)行光學(xué)拋光，制作成10 mm×15 mm×2 mm的玻璃塊，用作光譜測(cè)試。

2.2樣品表征

玻璃樣品的密度利用Archimedes法，以蒸餾水作為浸液，在Mettler Toledo公司的ML104型電子天平上進(jìn)行測(cè)定。透射光譜采用Shimadzu公司的 UV-2700 紫外-可見分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定，光譜范圍為200～750 nm，光譜分辨率為0.5 nm。光致發(fā)光的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜采用Hitachi公司的F-7000熒光光譜儀進(jìn)行測(cè)定，激發(fā)光源為150 W的氙燈，光譜分辨率為1 nm。樣品的熒光衰減曲線在Horiba公司的Tempro熒光壽命測(cè)試系統(tǒng)上完成測(cè)定，激發(fā)光源為Nano-LED，中心波長為320 nm。閃爍性能的測(cè)定是采用管電壓80 kV、管電流20 mA的W靶為X射線激發(fā)源，配合OceanOptics公司的QE Pro-FL光纖光譜儀測(cè)試發(fā)光強(qiáng)度。所有測(cè)試均在室溫下完成。

3 結(jié)果與討論

3.1樣品的密度

玻璃樣品的密度測(cè)試結(jié)果列于表1中。由表1中的數(shù)據(jù)可知，所有玻璃樣品的密度均大于4 g/cm3，其中Ce3+/Tb3+共摻閃爍玻璃的密度超過4.6 g/cm3。高玻璃密度有助于增強(qiáng)樣品對(duì)高能粒子或光子的截止能力，提高成像的信噪比[5]。

3.2紫外-可見透射光譜分析

圖1為基質(zhì)玻璃(HG)、Ce3+摻雜閃爍玻璃(Ce1～Ce3)的透射光譜?；|(zhì)玻璃(HG)在可見光范圍內(nèi)具有良好的透過性，紫外截止波長約為288 nm，圖中位于306 nm和312 nm處的兩個(gè)吸收峰分別對(duì)應(yīng)于Gd3+的8S7/2→6P7/2，5/2特征吸收[5]。與基質(zhì)玻璃相比，Ce3+摻雜玻璃的截止波長發(fā)生了顯著紅移。Ce1玻璃的截止波長約為346 nm，其原因是Ce3+離子的4f-5d軌道之間的電子躍遷[12]。隨著Ce3+離子濃度的增加，玻璃樣品的紫外截止波長向長波方向移動(dòng)，其原因可能有兩個(gè)方面：一是Ce3+離子周圍晶場(chǎng)環(huán)境發(fā)生變化。隨著Ce2O3含量的增多，玻璃的光堿度增加，晶體場(chǎng)強(qiáng)度變大，導(dǎo)致Ce3+離子的5d態(tài)與4f態(tài)之間的能級(jí)間隔變小，使得4f電子更容易躍遷到5d軌道上[13-15]；二是樣品中Ce4+的絕對(duì)濃度隨著Ce摻雜濃度的增加而增大。Ce4+的吸收是由于電荷轉(zhuǎn)移O2-→Ce4+導(dǎo)致的，其吸收峰位置與Ce3+離子相比較，通常位于長波區(qū)[16-18]。據(jù)文獻(xiàn)[2]報(bào)道，在空氣氣氛下制備的Ce摻雜玻璃中，Ce4+含量相對(duì)較多，截止波長達(dá)到405 nm。而本文中Ce含量最高的Ce3玻璃的截止波長約為362 nm，這說明熔制過程中添加的Sb2O3形成的還原氣氛有效地抑制了Ce3+被氧化成Ce4+，樣品中的鈰主要以Ce3+形式存在。

表1 玻璃樣品的組分及密度

圖1 基質(zhì)玻璃(HG)和Ce3+摻雜閃爍玻璃(Ce1～Ce3)的透射光譜

Fig.1 Transmission spectra of the host glass (HG) and Ce3+doped glasses (Ce1-Ce3)

圖2為Tb3+單摻和Tb3+/Ce3+共摻玻璃的透射光譜。Tb3+摻雜玻璃(Tb3)的截止波長約為297 nm。從圖中可以看出幾個(gè)較為明顯的吸收峰，分別位于350，367，378，484 nm處。這些吸收峰均是由Tb3+引起的，分別對(duì)應(yīng)于Tb3+離子的7F6→5L9，5L10，5G6和5D4的能級(jí)躍遷[19]。當(dāng)Ce3+離子引入到Tb3+摻雜閃爍玻璃后(TC1)，紫外截止波長也出現(xiàn)了顯著紅移，移至348 nm處，這是因?yàn)镃e3+離子的4f-5d躍遷和Tb3+離子的4f-4f躍遷出現(xiàn)重疊。當(dāng)進(jìn)一步增加Ce3+離子濃度時(shí)，Ce3+/Tb3+共摻閃爍玻璃的紫外截止波長也紅移至364 nm(TC3)，與Ce3+單摻玻璃相似。這也進(jìn)一步證明了Tb3+/ Ce3+共摻玻璃的紫外區(qū)的寬帶吸收主要是由Ce3+離子的4f→5d電子躍遷所引起。

圖2 Tb3+單摻(Tb3)和Tb3+/Ce3+共摻玻璃(TC1～TC3)的透射光譜

Fig.2 Transmission spectra of Tb3+doped glass (Tb3) and Tb3+/Ce3+codoped glasses(TC1-TC3)

3.3激發(fā)光譜和發(fā)射光譜分析

圖3(a)為單摻Tb3+閃爍玻璃樣品(Tb3)的激發(fā)光譜,監(jiān)測(cè)波長為Tb3+離子的特征發(fā)射5D4→7F5(544 nm)。整個(gè)激發(fā)光譜可以分為兩個(gè)部分：在200～300 nm波段存在一個(gè)較寬的激發(fā)帶，該激發(fā)帶對(duì)應(yīng)于Tb3+離子的4f8→4f75d1躍遷；而在300～400 nm波段的系列激發(fā)峰相對(duì)較弱，屬于4f8→4f8躍遷，分別對(duì)應(yīng)于Tb3+離子的7F6能級(jí)到5H6(302 nm)、5H7(317 nm)、5L8(339 nm)、5L9(350 nm)、5L10(367 nm)、5D3(377 nm)能級(jí)的躍遷[20]。此外，在激發(fā)光譜的274，306，312 nm處疊加有3個(gè)激發(fā)峰，分別對(duì)應(yīng)于Gd3+離子的8S7/2→6IJ,6P7/2, 5/2能級(jí)的躍遷，這說明存在Gd3+離子向Tb3+離子的能量傳遞。圖3(b)是Tb3+單摻樣品在274 nm紫外光激發(fā)下的發(fā)光光譜。位于489，544，586，624 nm處的發(fā)射峰分別對(duì)應(yīng)于Tb3+離子的5D4→7FJ(J=6,5,4,3)躍遷，其中542 nm(5D4→7F5)的峰最強(qiáng)[21]。

圖3 Tb3+摻雜玻璃(Tb3)的激發(fā)光譜(a)和發(fā)射光譜(b)

Fig.3 Excitation (a) and emission (b) spectra of Tb3+doped glass (Tb3)

圖4是Ce3+摻雜玻璃(Ce1)的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜。激發(fā)光譜由峰值位于291 nm和320 nm的兩個(gè)寬帶激發(fā)峰構(gòu)成，對(duì)應(yīng)于Ce3+的4f→5d能級(jí)的躍遷。Ce3+易受晶體場(chǎng)的影響，使其5d能級(jí)出現(xiàn)劈裂，導(dǎo)致Ce3+的激發(fā)峰呈現(xiàn)多峰特征[22]。Ce3+的發(fā)射光譜由位于388 nm的不對(duì)稱峰構(gòu)成，屬于Ce3+的5d→4f躍遷。Ce3+離子的4f1基態(tài)在自旋-軌道耦合作用下能夠分裂成2個(gè)能級(jí)2F5/2和2F7/2，而宇稱選律允許激發(fā)態(tài)5d1電子組態(tài)最低晶體場(chǎng)組分向基態(tài)的這2個(gè)能級(jí)躍遷，從而導(dǎo)致Ce3+的發(fā)射具有典型的雙峰形態(tài)[23]。圖4中的插圖為對(duì)Ce1玻璃的發(fā)射光譜進(jìn)行Gaussian多峰擬合的結(jié)果，可以看到寬帶發(fā)射峰是由383 nm和423 nm的 2個(gè)發(fā)射峰疊加而成，分別對(duì)應(yīng)5d→2F5/2和2F7/2躍遷。

圖4 Ce3+摻雜玻璃(Ce1)的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜

Fig.4 Excitation and emission spectra of Ce3+doped glass (Ce1)

圖5為不同Ce3+離子濃度的Ce3+摻雜玻璃的發(fā)射光譜，激發(fā)波長為320 nm?？梢钥吹?，隨著Ce3+離子濃度的增加，發(fā)射峰位置逐漸向長波方向移動(dòng)，與紫外截止波長的變化規(guī)律相同。其原因也是由于玻璃中Ce3+離子所處的晶體場(chǎng)強(qiáng)度隨Ce2O3含量的增多而變大，導(dǎo)致激發(fā)態(tài)5d能級(jí)的分裂程度加劇，形成的5d態(tài)能帶更加接近4f基態(tài)，從而使5d-4f間的電子躍遷對(duì)應(yīng)的波長發(fā)生紅移[14]。此外，Ce3+離子的發(fā)光隨其摻雜濃度的增加而逐漸減弱，其原因可以從兩個(gè)方面解釋：一方面是由于Ce2O3含量的增加使Ce3+離子之間的距離變小，能量在Ce3+離子間不斷遷移而未及時(shí)輻射，增加了猝滅的機(jī)會(huì)，出現(xiàn)了濃度猝滅效應(yīng)[17]；另一方面，當(dāng)玻璃組成中Ce2O3含量過多時(shí)，Ce離子傾向于以不發(fā)光的Ce4+離子存在。

圖5 不同Ce3+離子濃度的Ce3+摻雜玻璃在320 nm激發(fā)下的發(fā)射光譜

Fig.5 Emission spectra of Ce3+doped glasses with different concentration of Ce3+ions under 320 nm excitation

Ce3+離子不但是一種高效的發(fā)光離子，對(duì)于很多稀土離子還是一種有效的敏化劑。為探究Ce3+對(duì)Tb3+發(fā)光性能的敏化作用，將Ce3+引入Tb3+摻雜釓鋇硅酸鹽玻璃中進(jìn)行更深入的研究。圖6為Tb3+激活閃爍玻璃(Tb3和TC1～TC3)的激發(fā)光譜，監(jiān)測(cè)波長為544 nm。與Tb3+單摻玻璃相比，Ce3+/Tb3+共摻玻璃在260～375 nm波長范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)峰值在320 nm的新激發(fā)峰。對(duì)比圖4中的Ce1玻璃的激發(fā)光譜可知，這個(gè)激發(fā)帶對(duì)應(yīng)于Ce3+的4f→5d電子躍遷，表明Tb3+能夠通過Ce3+激發(fā)發(fā)光?？梢姡珻e3+/Tb3+共摻玻璃中存在Ce3+向Tb3+的能量傳遞。此外，在圖6中還可以觀察到，隨著Ce3+離子濃度的增加，激發(fā)峰的強(qiáng)度逐漸減小。這可能是由于樣品中Ce4+的絕對(duì)濃度增多，與Tb3+(Ce3+) 形成對(duì)能量的競(jìng)爭吸收。據(jù)祖成奎等的研究報(bào)道[24]，Ce4+對(duì)Tb3+的發(fā)光有猝滅作用，其吸收峰位于240 nm和350 nm。

圖6 Tb3+激活閃爍玻璃(Tb3和TC1～TC3)的激發(fā)光譜，監(jiān)測(cè)波長為Tb3+的5D4→7F5躍遷(λem=544 nm)。

Fig.6 Excitation spectra of Tb3+-acitved scintillating glasses (Tb3 and TC1-TC3), monitored at the5D4of Tb3+transition (λem=544 nm).

圖7是不同Ce3+離子濃度的Tb3+激活閃爍玻璃(Tb3和TC1～TC3)的發(fā)射光譜，激發(fā)波長為320 nm。如圖7所示，Tb3+摻雜玻璃中引入Ce3+離子后，Tb3+的5D4→7FJ(J=6,5,4,3)躍遷發(fā)射強(qiáng)度顯著增大，但隨著Ce3+離子濃度的增加，發(fā)射強(qiáng)度又逐漸減小，最佳的Ce2O3摩爾分?jǐn)?shù)為0.2%。此外，在330～470 nm區(qū)間出現(xiàn)了一個(gè)較弱的峰值為388 nm的發(fā)射峰，這與圖5中Ce3+摻雜玻璃的發(fā)射峰位相一致，說明這一發(fā)射峰源于Ce3+的5d→4f躍遷。由此可見，在Ce3+/Tb3+共摻釓-鋇-硅酸鹽閃爍玻璃中，Ce3+能夠有效地將激發(fā)能量傳遞給Tb3+，從而使Tb3+的發(fā)射大大加強(qiáng)。Ce3+向Tb3+的能量傳遞過程可以解釋如下：首先，在320 nm紫外光的激發(fā)下，Ce3+離子的電子從基態(tài)激發(fā)到5d態(tài)。然后，通過無輻射弛豫快速弛豫到5d態(tài)的最低能級(jí)。5d態(tài)電子的能量部分通過躍遷返回到基態(tài)，形成Ce3+離子的寬帶發(fā)射；而另一部分能量則通過共振能量傳遞的方式傳遞給臨近的Tb3+離子，并快速地弛豫到5D4能級(jí)上，再通過輻射躍遷的方式返回到基態(tài)。

圖7 Tb3+激活閃爍玻璃(Tb3和TC1～TC3)的發(fā)射光譜，激發(fā)波長為320 nm。

Fig.7 Emission spectra of Tb3+-acitved scintillating glasses (Tb3 and TC1-TC3) under 320 nm excitation

3.4熒光衰減曲線分析

圖8為相同Ce3+摻雜濃度的Ce3+單摻玻璃和Ce3+/Tb3+共摻玻璃的熒光衰減曲線，激發(fā)波長為320 nm，監(jiān)測(cè)波長為388 nm。如圖所示，當(dāng)Tb3+離子和Ce3+離子共存于玻璃樣品中時(shí)， Ce3+離子的熒光衰減速度明顯加快。根據(jù)Dexter能量傳遞理論[25]，敏化劑(Ce3+離子)在激活劑(Tb3+離子)存在時(shí)，它在激發(fā)態(tài)的弛豫通道增多(向激活劑傳遞的過程)，因此弛豫過程會(huì)加快，熒光壽命會(huì)變短，這是無輻射能量傳遞的典型特征。由此可見，Ce3+/Tb3+共摻玻璃中，Ce3+向Tb3+的能量傳遞過程是無輻射能量傳遞，其能量傳遞效率可采用如下公式計(jì)算[26-27]：

(1)

其中，ηET代表能量傳遞效率，τ是共摻樣品中敏化離子(Ce3+)的壽命，τ0是單摻樣品中敏化離子的本征壽命。由于熒光衰減曲線呈非指數(shù)形式，因此Ce3+離子的平均熒光壽命可采用如下公式進(jìn)行計(jì)算[28]：

(2)

其中，I(t)為熒光強(qiáng)度，t為時(shí)間，τave為平均熒光壽命。通過計(jì)算，Ce3+單摻樣品中Ce3+離子的平均壽命為τCel=27.5 ns，Ce3+/Tb3+共摻樣品中Ce3+離子的平均壽命為τTC1=14.9 ns，Ce3+離子向Tb3+離子的能量傳遞效率為45.7%。

圖8 Ce3+單摻和Ce3+/Tb3+共摻玻璃中Ce3+離子的熒光衰減曲線

Fig.8 Luminescence decay curves of Ce3+in Ce3+doped and Ce3+/Tb3+codoped glasses

3.5X射線激發(fā)發(fā)射光譜

圖9是Tb3+單摻(Tb3)、Ce3+/Tb3+共摻(TC1)和BGO晶體的X射線激發(fā)發(fā)射譜。與圖7相比較可以看出，玻璃樣品的X射線激發(fā)發(fā)射光譜和紫外光激發(fā)下的發(fā)射光譜相似，發(fā)射峰均屬于Tb3+離子的5D4→7FJ(J=6,5,4,3)躍遷。Tb3+單摻玻璃(Tb3)在544 nm處的峰值強(qiáng)度是BGO晶體500 nm處的峰值強(qiáng)度的3.2倍，積分閃爍效率達(dá)到BGO晶體的41.4%。當(dāng)Ce3+離子引入后(TC1玻璃)，Tb3+離子的發(fā)射強(qiáng)度提高到BGO晶體峰值的4.2倍，積分閃爍效率提高到BGO晶體的55.6%。由此可見，無論是在紫外光還是X射線激發(fā)下，釓-鋇-硅酸鹽玻璃中的Ce3+離子均可以有效地敏化Tb3+離子發(fā)光。

圖9 Tb3+單摻(Tb3)、Ce3+/Tb3+共摻(TC1)和BGO晶體的X射線激發(fā)發(fā)射譜。

Fig.9 X-ray excited luminescence spectra of Tb3+doped (Tb3), Ce3+/Tb3+codoped (TC1) and BGO crystal, respectively.

4 結(jié) 論

制備了Ce3+或Tb3+單摻和Ce3+/Tb3+共摻釓-鋇-硅酸鹽閃爍玻璃，并對(duì)其發(fā)光性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：在紫外光激發(fā)下，Ce3+單摻和Tb3+單摻釓-鋇-硅酸鹽閃爍玻璃分別發(fā)出較強(qiáng)的藍(lán)紫光和綠光，而Ce3+/Tb3+共摻玻璃則發(fā)出藍(lán)綠光，并且可以清楚地觀察到Ce3+對(duì)Tb3+發(fā)光的敏化現(xiàn)象。在Ce3+/Tb3+共摻玻璃中，最佳的Ce2O3摩爾分?jǐn)?shù)為0.2%，此時(shí)Ce3+向Tb3+的能量傳遞效率為45.7%。在X射線激發(fā)下，Ce3+離子的引入也明顯增強(qiáng)了Tb3+離子的發(fā)光。TC1玻璃樣品在X射線激發(fā)下的發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到BGO晶體的4.2倍，積分閃爍效率為BGO晶體的55.6%。Ce3+/Tb3+共摻釓-鋇-硅酸鹽閃爍玻璃有望能夠替代閃爍晶體在高分辨率X射線成像等醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

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張勇 (1982-)，男，吉林四平人，博士研究生，講師，2010年于吉林師范大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事閃爍玻璃及閃爍光纖面板的研究。

E-mail: zhangyong@jlnu.edu.cn

Luminescence Properties of Ce3+and Tb3+Doped Gd-Ba-silicate Scintillating Glass

ZHANG Yong1,2*, LYU Jing-wen2, HAN Bing2, JIANG Dong-yue1, CHEN Liang-dong1

(1.SchoolofPhysics,JilinNormalUniversity,Siping136000,China;
2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:zhangyong@jlnu.edu.cn

Novel Tb3+or Ce3+doped and Tb3+/Ce3+codoped Gd-Ba-silicate scintillating glasses were synthesized by melt-quenching method. The luminescence properties were studied by transmission spectra, photoluminescence excitation and emission spectra, X-ray excited luminescence spectra and luminescence decay curves. The results show that Tb3+doped scintillating glasses exhibit bright green emission at about 544 nm and Ce3+doped scintillating glasses have a strong purplish-blue light under ultraviolet excitation. For Tb3+/Ce3+codoped scintillating glasses, Ce3+ions can strongly sensitize the luminescence of Tb3+ions under both UV and X-ray excitation, which is caused by the energy transfer process from Ce3+to Tb3+ions. The optimal doping mole fraction of Ce2O3in Tb3+/Ce3+codoped scintillating glasses was 0.2%. In this case, the evaluated energy transfer efficiency from Ce3+to Tb3+is about 45.7%. Under X-ray excitation, not only the intensity of 544 nm emission in Tb3+/Ce3+codoped scintillating glasses with 0.2% of Ce2O3was 4.2 times than that of 500 nm emission in the commercial Bi4Ge3O12(BGO) crystals, but also the integral scintillation efficiency was about 55.6% of the BGO crystals. It is beneficial for reducing radiative dose to obtain high-resolution medical X-ray imaging.

scintillating glass; Ce3+doped; Tb3+doped; energy transfer

2016-06-23；

2016-08-25

國家自然科學(xué)基金(11075026)； 四平市科技發(fā)展計(jì)劃 (2015054) 資助項(xiàng)目 Supported by Natural Science Foundation of China(11075026); Science and Technology Development Program of Siping City (2015054)

1000-7032(2017)01-0037-08

O482.31

A

10.3788/fgxb20173801.0037