20000秒!X射线激发Al-N单晶超长磷光

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资讯发布 发表于 2020-9-16 17:02:48 | 显示全部楼层 |阅读模式

磷光是一种常在掺稀土无机晶体和有机分子晶体中观察到迷人的光电子征象,在光信息存储、彩色显像和生物剂量学等方面具有很大的潜力。近日,来自中山大学等单位的研究人员通过X射线激发,在AlN单晶闪耀体中发现了超长本征磷光(>20000秒)。相干论文以题为“X-ray radiation excited ultralong (>20,000 seconds) intrinsic phosphorescence in aluminum nitride single-crystal scintillators”发表在Nature Communications上。



论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18221-1

20000秒!X射线激发Al-N单晶超长磷光


特别的辐射跃迁途径,如有机分子晶体中聚集三重态激子的重组,使长命命的激发态电子实现持久磷光的辐射复合,其在彩色显像、光信息存储和生物成像等方面具有紧张的应用前景。恒久磷光通常出现在掺稀土的无机晶体和无金属有机分子中,得益于其特别的电子结构配置,实现了磷光机理。而当前外来稀土元素和有机组分磷光发射的持续时间较短。面临这些停滞,无机质料中由于自身缺陷或形成激子而产生的本禀发光表现出更大的潜力,可实现稳定且超长的磷光发射。


在无机半导体中,光的发射通常是通过从激发态到基态的直接辐射跃迁来实现的,这是典范的带边跃迁,严酷符合跃迁选择规则。另有一种环境是激发态和基态具有相同的奇偶性,它们之间的直接跃迁是克制的。然而,通过声子辅助跃迁过程,可以实现跃迁。在这种环境下,电子跃迁通常雷同于三态激发(T1)激子的电子跃迁,盼望得到持续的磷光。


氮化铝(AlN)是一种具有约6.2 eV超宽禁带的无机半导体,其磷光、光致发光(PL)和热致发光(TL)等特性引起了广泛关注。本文中,研究者利用X射线激发AlN单晶(SCs),得到了一种紫外(UV)超长本征磷光(UIP;>20000 s)。理论研究表明,含氮空位的氮化铝(AlN)的电子结构配置可以满意上述持久性的磷光机理。对于AlN SCs, 在X射线光子的作用下吸收产生了大量高能非定常激发态电子。由于量子选择规律,激发态电子通过声子辅助跃迁和通过发射持续的磷光带内多过程跃迁弛缓到基态。


20000秒!X射线激发Al-N单晶超长磷光

图1 AlN SCs的晶体结构和磷光。


20000秒!X射线激发Al-N单晶超长磷光

图2 在AlN SCs中X射线激发的超长磷光。。


20000秒!X射线激发Al-N单晶超长磷光

图3 超长固有磷光的机理。


20000秒!X射线激发Al-N单晶超长磷光

图4 高温N2退火AlN SCs外貌缺陷分析。


在半导体制造技能方面,源氛围退火通常被认为是镌汰缺陷的有效方法。在此底子上,研究者采取高温N2退火的方法低落了氮化铝SCs在晶体外貌的缺陷。退火后由266 nm激光激发的PL光谱表现,晶体的UV和黄色发射强度明显降落(图4a)。在325 nm的激发下,晶体只有黄色发射。在图4a中,差别激发下的PL光谱出现出公道的厘革,在325 nm激发下,UV发射消散,这与VN缺陷能级的计算是一致的。值得留意的是,低能量激发(比X射线小得多)下的辐射跃迁非常快,这说明吸收跃迁严酷依照低能量激发下的量子选择规则。激发态电子答应直接辐射跃迁。


综上所述,研究者提出了在高能X射线激发下可实现AlN SCs的超长(20,000 s)本征UV磷光。在AlN SCs中发现的X射线激发的超长磷光,对明白无机质料的固有磷光机理和高能射线剂量学的应用具有紧张意义。(文:水生)


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来源:https://www.toutiao.com/a6872675193979044365/
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