左艷彬,周海濤,張昌龍,王金亮

(廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國(guó)家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西桂林541004)

摻雜Zn O超快閃爍體單晶研究進(jìn)展

左艷彬,周海濤,張昌龍,王金亮

(廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國(guó)家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西桂林541004)

近幾年,由于在慣性約束聚變?cè)\斷,核反應(yīng)機(jī)理和時(shí)間飛行正電子發(fā)射斷層掃描(TOF-PET)等多個(gè)重要領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用,ZnO基超快(衰減時(shí)間小于1ns)閃爍體受到廣泛關(guān)注。文章綜述了ZnO基單晶閃爍體的發(fā)展。有文獻(xiàn)報(bào)道,Ga3+、In3+、Sc3+和Fe3+等幾種不同的n型摻雜Zn O單晶體已經(jīng)被廣泛用作極紫外、X-射線、α粒子等重離子的檢測(cè)和成像。隨著晶體生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展,提高了Zn O基閃爍體的性能,進(jìn)而拓寬了其應(yīng)用范圍。上述ZnO材料促進(jìn)了新一類超快半導(dǎo)體閃爍體的興起。因此, ZnO基閃爍體的下一步的工作,主要是通過(guò)優(yōu)化濃度和摻雜劑的種類,以提高光輸出。

Zn O晶體;超快閃爍體;水熱法;摻雜

1 引言

以閃爍晶體為核心的探測(cè)和成像技術(shù)已經(jīng)在核醫(yī)學(xué)、高能物理、安全檢查、工業(yè)無(wú)損探傷、空間物理及核探礦等方面得到了廣泛的應(yīng)用[1]。隨著上述領(lǐng)域的迅速發(fā)展,對(duì)高質(zhì)量、高光產(chǎn)額、快衰減時(shí)間的閃爍晶體的要求越來(lái)越高。理想的Zn O不僅是一種快速、光輸出效率高的室溫閃爍體,而且具有較Ga As、GaN更強(qiáng)的抗輻照性能[2],可在強(qiáng)輻射環(huán)境下使用,特別是其超短的閃爍衰減時(shí)間,一直是核科學(xué)研究關(guān)注的重點(diǎn)。

自上世紀(jì)60年代起[3-4],摻雜Zn O基材料就被發(fā)現(xiàn)具有超快閃爍性能,其中以Ga和In摻雜研究最多[3-9]。然而由于這個(gè)時(shí)期生長(zhǎng)的Zn O體晶體質(zhì)量和尺寸都無(wú)法滿足閃爍研究需要,研究樣品主要為粉末或薄膜態(tài)Zn O,由于存在嚴(yán)重的自吸收,粉末和薄膜態(tài)的Zn O的光輸出往往無(wú)法滿足需要,又加上當(dāng)時(shí)的第一代閃爍晶體NaI(Tl)已經(jīng)可以滿足當(dāng)時(shí)的需要,因此Zn O閃爍體在此后的很多年里并未有突破進(jìn)展。

近年來(lái),隨著Zn O體單晶水熱法生長(zhǎng)技術(shù)在尺寸和質(zhì)量上的突破[10],摻雜Zn O作為超快閃爍體應(yīng)用于極紫外、X射線、α-射線、γ-射線、中子及其他高能粒子的探測(cè)重新成為閃爍體研究的熱點(diǎn)。在民用領(lǐng)域,與由BaF2等構(gòu)成的其它閃爍體材料相比,氧化鋅單晶的熒光壽命較短,由于要求較高的時(shí)間分辨, TOF(Time-of-Flight)型等下一代PET(Positron Emission Tomography)尤其需要熒光壽命較短的閃爍體。另外,ZnO在空氣中穩(wěn)定無(wú)潮解,易處理,并能用水熱合成法來(lái)制作,因而能夠?qū)崿F(xiàn)大量生產(chǎn)。Zn O基體單晶作為下一代超快閃爍體具有極其重要實(shí)用價(jià)值和研究意義。

表1 Zn O:Ga與幾種重要無(wú)機(jī)閃爍體的閃爍特性Table 1 Properties of:Zn O:Ga and several other important inorganic scintillants

2 Zn O基體單晶閃爍體研究概述

1966年,W.Lehmann用摻入約0.3%的Zn O粉體作為閃爍材料,觀測(cè)到了ns級(jí)的衰減[3]。1968年,D.Luckey[4]用α粒子轟擊Zn O:Ga粉體,測(cè)量出快光成分衰減時(shí)間為0.4±0.15 ns。1975年, Batsch[5]表征了多晶Zn O:Ga粉體的閃爍性能:閃爍的上升和衰減時(shí)間分別為0.3ns和1.5ns;利用5.4Me V粒子為源時(shí)光產(chǎn)額高于塑料閃爍體NE111;時(shí)間分辨FWHM約為560ps。但由于自吸收,觀察不到脈沖峰形。2002年,美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的W.W.Moses研究[11]發(fā)現(xiàn)Zn O:Ga閃爍薄膜具有0.4ns的閃爍衰減時(shí)間,比BaF2還要快,光輸出也較高,達(dá)到15000 photons/Me V,但是由于薄膜的結(jié)構(gòu)不完整,存在大量的缺陷,容易形成俘獲電子空穴的無(wú)輻射復(fù)合中心,造成自吸收嚴(yán)重,影響光輸出。E.I.Gorokhova等[12]用熱壓法制備了Zn O和Zn O:Ga陶瓷,其中Zn O陶瓷有較好的透過(guò)率和光輸出,但其快光成分微弱;摻入0.075%的Ga后,觀測(cè)到了快慢兩個(gè)成分,但是Zn O:Ga陶瓷透過(guò)率和光輸出均大幅度下降。

相比于粉體、薄膜、玻璃和陶瓷等形態(tài),晶體的結(jié)構(gòu)最完整,其閃爍性能往往也是最理想的。2003年, P.J.Simpson[13]發(fā)現(xiàn)Zn O:In單晶的光輸出強(qiáng)度與塑料閃爍體相當(dāng),約為NaI(Tl)的40%;Martin Nikl[7]在2006年報(bào)道了Zn O單晶的輻射發(fā)光。在輻射源為35k V的X射線照射下,Zn O單晶發(fā)出熒光中心波長(zhǎng)約385nm,衰減時(shí)間小于0.8ns。2010年, Takayuki Yanagida等[14]發(fā)現(xiàn)水熱法大尺寸Zn O晶體可以用于α射線成像,衰減時(shí)間為亞納秒級(jí)。2014年,日本大阪大學(xué)[15]用水熱Zn O體單晶閃爍體制作的原位極紫外成像裝置的空間分辨率達(dá)到亞微米級(jí),相比于傳統(tǒng)的LiF、BaF2和Ce:YAG等閃爍體,Zn O單晶閃爍體在具有高的空間和時(shí)間分辨率的同時(shí),還具有較容易制得大尺寸晶體和相對(duì)低的成本等優(yōu)勢(shì),是極紫外和X射線等的潛在的閃爍成像材料。

如何提高ZnO閃爍體的光輸出,國(guó)際上進(jìn)行了很多研究,但均未有突破性進(jìn)展。近年來(lái)在高質(zhì)量大尺寸Zn O晶體生長(zhǎng)方面的突破進(jìn)展,特別是高質(zhì)量摻雜Zn O晶體的制備技術(shù)的發(fā)展,為獲得高光輸出的超快Zn O晶體閃爍體提供了新的途徑和可能。

3 Zn O體單晶閃爍體

Zn O為同成分共熔化合物,熔點(diǎn)為1975℃,Zn O不僅具有極強(qiáng)的極性析晶特性,而且在高溫(1300℃)下易升華,因此不能用常規(guī)的熔體法生長(zhǎng)Zn O單晶。目前,采用氣相傳輸法、水熱法、高壓熔體法和熔鹽法(也稱為助熔劑法)等已經(jīng)獲得一定尺寸的Zn O單晶[16-17]。制作Zn O基體單晶閃爍體的最常用的兩種方法是高壓熔體法和水熱法:高壓熔體法可以生長(zhǎng)出2英寸的Zn O晶體,生長(zhǎng)速度可以達(dá)到8～10mm/h,但是設(shè)備投入大,一次僅能生長(zhǎng)一塊晶體,晶體完整性也不夠好[16];水熱法可以生長(zhǎng)出3英寸的ZnO晶體,盡管生長(zhǎng)速度緩慢(0.2～0.4mm/d)[17],但是成熟的工業(yè)方法與水晶類似,一次可以生長(zhǎng)出一百甚至幾百塊高質(zhì)量結(jié)晶完整性好的大尺寸晶體,工業(yè)化Zn O單晶水熱生長(zhǎng)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)[18]。國(guó)內(nèi)的水熱法大尺寸單晶起步較晚,2006年本單位(桂林礦地院)在國(guó)內(nèi)首先報(bào)道了超過(guò)1英寸的水熱大尺寸ZnO單晶[19-20]。近年已經(jīng)突破國(guó)外對(duì)1英寸以上晶體的禁售,自主生長(zhǎng)了2英寸的晶體。

圖1 水熱法生長(zhǎng)的3英寸Zn O晶體,引自文獻(xiàn)[17]Fig.1 A three-inch Zn O crystal grown by hydrothermal method,from references[17]

圖2 水熱法生長(zhǎng)的的1英寸ZnO:Ga晶體Fig.2 An one-inch Zn O crystal grown by hydrothermal method

3.1 Zn O:Ga

為III族元素,Ga-O鍵長(zhǎng)為0.192nm與Zn-O鍵長(zhǎng)0.197nm非常接近,因此與Al(Al-O,鍵長(zhǎng)0.27nm)和In(In-O,鍵長(zhǎng)0.21nm)相比,Ga是最優(yōu)的Zn O的n型摻雜元素。John S.Neal等對(duì)高壓熔體法生長(zhǎng)的一系列摻雜ZnO單晶(摻雜元素包括Li、Mg、Ga、In、Gd、Er和Tm,晶體最大尺寸為1英寸。)的α粒子探測(cè)性能進(jìn)行了評(píng)估,發(fā)現(xiàn)Zn O:Ga的衰減時(shí)間最短為63ps,Zn O:Mg:Ga為78ps,其他的摻雜Zn O快成分衰減時(shí)間在83～135ps間。中科院物構(gòu)所Wenwen Lin等[21]采用水熱法在300℃～340℃生長(zhǎng)了Ga含量為0.053wt%的Zn O:Ga單晶,獲得(13×13)mm2的高透明晶片,載流子濃度1.07 ×1019cm-3,Hall遷移率81.5 cm2/(V s),X射線雙晶搖擺曲線(XRC)半高峰寬(FWHM)46.4arcsec,具有很高的結(jié)晶質(zhì)量。美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室Buguo Wang[22]也進(jìn)行了Ga摻雜Zn O晶體水熱生長(zhǎng)的研究,發(fā)現(xiàn)過(guò)高濃度的摻雜導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)速度很低甚至不生長(zhǎng),提出低于0.1 mol%比較合適。在350℃～365℃下生長(zhǎng)出了(10×7×5)mm3的ZnO:Ga晶體,載流子濃度1.38×1019cm-3and遷移率101 cm2/ (V s)。2013年,我單位任孟德等[23]報(bào)道了水熱法生長(zhǎng)的大尺寸Zn O:Ga晶體,圖2為在此基礎(chǔ)上新近生長(zhǎng)的1英寸Zn O:Ga晶體,其XRC的FWHM為11arcsec,說(shuō)明具有較高的結(jié)晶質(zhì)量,相關(guān)閃爍性能測(cè)試正在進(jìn)行中。

3.2 Zn O:In

P.J.Simpson[24]等利用高壓熔體法生長(zhǎng)出了約直徑8mm,長(zhǎng)5mm的Zn O:In單晶。分別利用5.5Me V粒子(241Am),662ke V的γ射線(137Cs)和122ke V的γ射線(57Co)為源,觀測(cè)到快衰減的輸出,光輸出達(dá)到約10000光子/Me V。2007年,Buguo Wang等[25]采用水熱法生長(zhǎng)出了In含量為(150～175)×10-6wt的Zn O:In晶體,載流子濃度1.09 ×1019cm-3,生長(zhǎng)習(xí)性不同于純Zn O晶體,有利于擴(kuò)大晶體可用面積,這對(duì)強(qiáng)調(diào)光輸出的閃爍應(yīng)用很有價(jià)值,另外還指出In摻雜量影響晶體生長(zhǎng)難度和晶體質(zhì)量。2011年,日本Dirk Ehrentraut[26]報(bào)道了水熱法Zn O:In晶體,指出摻雜方式對(duì)晶體生長(zhǎng)難度和質(zhì)量也有重要影響,所得晶體尺寸大于10×10mm2。2011年,日本DAISHINKU公司的Masataka Kano等[27]研究了一系列水熱法摻雜Zn O單晶的閃爍性能,發(fā)現(xiàn)Zn O:In(In濃度為1.6×1018atoms/cm3)對(duì)極紫外的閃爍衰減時(shí)間僅有15ps,是所有晶體中最短的,極具應(yīng)用前景。隨后,2012年,他們[28]用9.0 ×9.0×0.75 mm3的水熱法Zn O:In制成了高空間分辨率原位X射線成像閃爍器件,衰減時(shí)間為120ps。2012年,Kohei Yamanoi等[29]使用水熱法ZnO:In作為閃爍體探測(cè)X射線自由電子激光(XFEL),可以達(dá)到3ps的精度,比廣泛應(yīng)用的Ce: YAG短3個(gè)數(shù)量級(jí)。我們也進(jìn)行了Zn O:In晶體的生長(zhǎng),得到透明的Zn O:In晶體,見(jiàn)圖4。

圖3 不同離子摻雜Zn O的發(fā)光強(qiáng)度和衰減時(shí)間,引自文獻(xiàn)[27]。Fig.3 Luminous intensity and decay time for different ion doped Zn O,from references[27]

圖4 純Zn O籽晶(左)水熱法生長(zhǎng)的的Zn O:In晶體(右)Fig.4 Zn O:In crystal gown from undoped Zn O seed crystal(on the left)and that grown by hydrothermal method(on the right)

3.3 Zn O:Sc

由于前期Ga摻雜Zn O生長(zhǎng)存在微孔缺陷,特別是其m面晶體生長(zhǎng)速度緩慢,較難獲得大尺寸的Zn O:Ga晶體,而前期Zn O:In晶體的c面生長(zhǎng)速度緩慢,很難獲得一定厚度的晶體,迫切需要大尺寸的Zn O閃爍晶體。基于此,我們?cè)谇捌谝r底用Zn O晶體、鈧摻雜改性基礎(chǔ)上,發(fā)展了Zn O:Sc大尺寸高質(zhì)量晶體制備技術(shù)。溶液中加入Sc2O3后,Zn O晶體的極性生長(zhǎng)習(xí)性發(fā)生很大改變,晶體-c區(qū)晶體生長(zhǎng)速度降低質(zhì)量提高,+c和-c區(qū)的晶體質(zhì)量和生長(zhǎng)速度趨向一致,而m面的速度也有一定程度的提高,非常有利于獲得大尺寸高質(zhì)量高利用率的Zn O晶體。2010年制備了尺寸(44×30×3.3)mm3的ZnO:Sc晶體,測(cè)量了晶體的+c和-c區(qū)的XRC,其FWHM分別為38.9 arcsec和46.1arcsec。透過(guò)率、PL譜、Hall遷移率、載流子濃度和電阻均非常接近[30]。我們向西北核技術(shù)研究所提供了水熱法制備的15mm ×15mm×0.3mm的Zn O:Sc晶體,經(jīng)與Zn O:Ga同條件比較測(cè)試,數(shù)據(jù)見(jiàn)表2,Zn O:Sc晶體的上升沿162.5～170.7ps,下降沿300.4～328.8ps,與探測(cè)器的探測(cè)極限接近,說(shuō)明其時(shí)間響應(yīng)可能更快,時(shí)間響應(yīng)參數(shù)與同條件測(cè)試的Zn O:Ga基本一致,說(shuō)明其具有與Zn O:Ga類似的時(shí)間響應(yīng)[31]。光輸出約為塑料閃爍體的62.8%,NaI的10.7%。與Zn O:Sc還具有區(qū)別于Zn O:In和Zn O:Ga晶體獨(dú)特的表面效應(yīng)[32]。以Zn O:In、Zn O:Ga和Zn O:Sc晶體在α粒子激發(fā)下的能譜為例,Zn O:In和ZnO:Ga晶體的前后兩個(gè)表面發(fā)光強(qiáng)度有明顯的差別,Zn O:Sc晶體正反兩面發(fā)光強(qiáng)度無(wú)明顯區(qū)別,常見(jiàn)閃爍材料均無(wú)類似的表面效應(yīng)。這一現(xiàn)象的成因研究人員尚無(wú)法解釋,國(guó)際上也未見(jiàn)任何相關(guān)報(bào)道,將進(jìn)一步探索其形成機(jī)理。

表2 ZnO:Sc和ZnO:Ga基閃爍探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)特性,引自文獻(xiàn)[27]Table 2 The time-response characteristics of the ZnO:Sc and ZnO:Ga scintillation detectors,from references[27]

3.4 Zn O:Fe

在Zn O作為半導(dǎo)體襯底材料進(jìn)行研發(fā)時(shí),要求有盡量低的雜質(zhì)含量,為了防止高壓釜材料以雜質(zhì)形式摻入Zn O晶體和減少水熱礦化劑溶液對(duì)高壓釜的侵蝕,前期水熱法純Zn O生長(zhǎng)多在貴金屬襯套進(jìn)行,所生長(zhǎng)的Zn O存在兩個(gè)閃爍衰減成分,快成分的衰減時(shí)間在1ns左右[33],慢成分為15ns。日本Kohei Yamanoi等使用去除貴金屬襯套,直接生長(zhǎng)的ZnO: Fe晶體,經(jīng)同條件測(cè)試,快成分衰減時(shí)間縮短為70ps,慢成分衰減時(shí)間為222ps[34],使其成為極紫外領(lǐng)域很有前景的診斷材料,將在極紫外光刻和X射線自由電子激光等領(lǐng)域有很好的研究前景。

4 結(jié)論與展望

近幾年來(lái),ZnO晶體制備技術(shù)取得重大突破,百皮秒響應(yīng)超快光電器件也逐漸成熟,這為Zn O基閃爍晶體性能研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),摻雜Zn O晶體的時(shí)間響應(yīng)特性和輻射特性成為快響應(yīng)閃爍材料科學(xué)研究的前沿課題。應(yīng)該指出的是,現(xiàn)有技術(shù)制備的ZnO晶體雖然具有極快的響應(yīng)時(shí)間,但在某些工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域如貨物安檢等方面還存在不足,主要還是自吸收導(dǎo)致的光輸出偏低,這是今后Zn O基閃爍體需要解決的科學(xué)和技術(shù)難題。Ga、In、Sc和Fe作為主要的ZnO基閃爍體摻雜元素,在晶體生長(zhǎng)、性能表征和器件制作方面都有很多的工作需要繼續(xù)研究。同時(shí),兩種甚至多種元素共摻雜也是改善ZnO基閃爍體晶體質(zhì)量和閃爍性能的一個(gè)很有前景的研究方向。

致 謝:本文作者特別感謝西北核技術(shù)研究所張侃博士、宋朝輝研究員和歐陽(yáng)曉平院士對(duì)Sc:Zn O等晶體閃爍性能的測(cè)試與討論。

[1] 趙景泰,王紅,金滕滕,等.閃爍晶體材料的研究進(jìn)展[J].中國(guó)材料進(jìn)展,2010,(10):40-48.

[2] Look D C,Reynolds D C,Hemsky J W,et al.Production and Annealing of Electron Irradiation Damage in Zn O[J].Applied Physics Letters,1999,75(6):811-813.

[3] Lehmann W.Edge emission of n-type conducting ZnO and CdS [J].Solid-State Electronics,1966,9(11):1107-1110.

[4] Luckey D.A fast inorganic scintillator[J].Nuclear Instruments and Methods,1968,62(1):119-120.

[5] T.Batsch,B.Bengtson,M.Moszyński,Timing properties of a Zn O(Ga)scintillator(NE843),Nuclear Instruments and Methods,Volume 125,Issue 3,15 April 1975,Pages 443-446.

[6] Neal JS,Boatner L A,Giles N C,et al.Comparative investigation of the performance of Zn O-based scintillators for use asαparticle detectors[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated Equipment,2006,568(2):803-809.

[7] Nikl M,Yoshikawa A,Vedda A,et al.Development of novel scintillator crystals[J].Journal of crystal growth,2006,292(2): 416-421

[8] Neal J S,Giles N C,Yang X,et al.Evaluation of melt-grown, Zn O single crystals for use as alpha-particle detectors[J].Nuclear Science,IEEE Transactions on,2008,55(3):1397-1403.

[9] Yanagida T,Fujimoto Y,Yoshikawa A,et al.Scintillation properties of in doped Zn O with different in concentrations[J]. Nuclear Science,IEEE Transactions on,2010,57(3):1325-1328.

[10] Ohshima E,Ogino H,Niikura I,et al.Growth of the 2-in-size bulk ZnO single crystals by the hydrothermal method[J]. Journal of Crystal Growth,2004,260(1):166-170.

[11] Moses W W.Current trends in scintillator detectors and materials[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated Equipment,2002,487(1):123-128.

[12] Gorokhova E I,Anan'eva G V,Demidenko V A,et al.Optical,luminescence,and scintillation properties of Zn O and Zn O:Ga ceramics[J].Journal of Optical Technology,2008, 75(11):741-746.

[13] Simpson P J,Tjossem R,Hunt A W,et al.Superfast timing performance from Zn O scintillators[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators, Spectrometers,Detectors and Associated Equipment,2003, 505(1):82-84.

[14] Yanagida T,Kawaguchi N,Fujimoto Y,et al.Evaluations of Zn O basedα-ray imager[C]//Nuclear Science Symposium Conference Record(NSS/MIC),2010 IEEE.IEEE,2010:188-191.

[15] Arita R,Nakazato T,Shimizu T,et al.High spatial resolution Zn O scintillator for an in situ imaging device in EUV region[J].Optical Materials,2014.36(12):2012–2015.

[16] Avrutin V,Cantwell G,Zhang J,et al.Bulk Zn O:current status,challenges,and prospects[J].Proceedings of the IEEE,2010,98(7):1339-1350.

[17] T.Fukuda,Y.Mikawa,D.Ehrentraut,"State-of-the-art Zn O bulk crystal growth",in Zinc Oxide Materials and Devices II,Ferechteh Hosseini Teherani;Cole W.Litton,Editors,Proceedings of SPIE Vol.6474(SPIE,Bellingham,WA 2007),647412.

[18] Kortunova E V,Chvanski P P,Nikolaeva N G.The first attempts of industrial manufacture of Zn O single crystals[J]. Journal de physique.IV,2005,126:39-42.

[19] 霍漢德,左艷彬,盧福華,等.氧化鋅晶體的水熱法生長(zhǎng)及其性能研究[J].超硬材料工程,2006(2):60-62.

[20] Zhang C L,Zhou W N,Hang Y,et al.Hydrothermal growth and characterization of Zn O crystals[J].Journal of Crystal Growth,2008,310(7):1819-1822.

[21] Lin W,Ding K,Lin Z,et al.The growth and investigation on Ga-doped Zn O single crystals with high thermal stability and high carrier mobility[J].CrystEngComm,2011,13(10): 3338-3341.

[22] Wang B,Mann M,Snure M,et al.Hydrothermal growth and characterization of bulk Ga-doped and Ga/N-codoped Zn O crystals[C]//SPIE OPTO.International Society for Optics and Photonics,2012:826305-826305-6.

[23] Mengde Ren,Xiaoling He,Yanbin Zuo.,et al.Hydrothermal growth of large size Zn O:Ga crystal as fast scintillator[C]. 12th International Conference on Inorganic Scintillators and their Applications,2013:49.

[24] Simpson P J,Tjossem R,Hunt A W,Super fast timing performance from Zn O scintillators[J].Nucl.Instrum.Meth. Phys.Res.A,2003,505:82-84.

[25] Wang B,Callahan M J,Xu C,et al.Hydrothermal growth and characterization of indium-doped-conducting Zn O crystals [J].Journal of crystal growth,2007,304(1):73-79.

[26] Ehrentraut D,Maeda K,Kano M,et al.Next-generation hydrothermal Zn O crystals[J].Journal of Crystal Growth, 2011,320(1):18-22.

[27] Kano M,Wakamiya A,Sakai K,et al.Response-time-improved ZnO scintillator by impurity doping[J].Journal of Crystal Growth,2011,318(1):788-790.

[28] Kano M,Wakamiya A,Yamanoi K,et al.Fabrication of In-Doped Zn O Scintillator Mounted on a Vacuum Flange[J].Nuclear Science,IEEE Transactions on,2012,59(5):2290-2293.

[29] Yamanoi K,Sakai K,Cadatal-Raduban M,et al.Indium-Doped Zn O Scintillator With 3-Ps Response Time for Accurate Synchronization of Optical and X-Ray Free Electron Laser Pulses[J].Nuclear Science,IEEE Transactions on,2012,59 (5):2298-2300.

[30] Zuo Y B,Lu F H,Zhang C L,et al.Hydrothermal growth of scandium-doped Zn O crystals[J].Journal of Crystal Growth, 2011,318(1):513-515.

[31] Zhang K,Ouyang X,Song Z,et al.An ideal scintillator–Zn O:Sc for sub-nanosecond pulsed radiation detection[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated E-quipment,2014,756:14-18.

[32] Zuo Yanbin,Zhang Kan,Wang Jinliang,et al.Study on scintillation properties of scandium-doped Zn O crystals underαparticle excitation[C].12th International Conference on Inorganic Scintillators and their Applications,2013:96.

[33] Tanaka M,Nishikino M,Yamatani H,et al.Hydrothermal method grown large-sized zinc oxide single crystal as fast scintillator for future extreme ultraviolet lithography[J].Applied Physics Letters,2007,91(23):231117.

[34] Shimizu T,Yamanoi K,Nakazato T,et al.Fast Fe-Doped Zn O Scintillator for Accurate Synchronization of Femtosecond Pulses from XFEL and Conventional Ultrafast Laser[C]//International Conference on Ultrafast Phenomena.Optical Society of America,2010:WC3.

Recent Research Progress on Doped ZnO Ultrafast Scintillation Monocrystal

ZUO Yan-bin,ZHOU Hai-tao,ZHANG Chang-long,WANG Jin-liang
(1.Guangxi Key Laboratory of Superhard Materials,National Engineering Research Center for Special Mineral Materials,China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.,Ltd.Guilin,guangxi,China 541004)

In recent years,Zn O ultrafast scintillation monocrystal(decay time＜1 ns)has received extensive attention as it has been adopted in various fields such as inertial confinement fusion diagnosis,nuclear reaction mechanism and time of fly positron emission tomography(TOF-PET),etc.In this article,the development of Zn O ultrafast scintillation monocrystal has been summarized.It is reported that several type of n-type Zn O monocrystal of Ga3+,In3+,Sc3+and Fe3+have been widely adopted in extreme ultraviolet,X-Ray and the detection and imaging of heavy ion such asαparticle.With the development of the crystal growth technique,the performance of the Zn O scintillant has been improved,hense the application field of it has been broadened.The above mentioned Zn O materials promotes the rise of new type of ultrafast scintillation semiconductor. Therefore,the further research work on Zn O scintillant is to increase the light output of it through the optimization of the concentration and the type of dopant.

Zn O crystal;ultrafast scintillant;hydrothermal method;doping

O74

A

1673-1433(2015)02-0051-06

2014-11-28

左艷彬(1976-),女,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:無(wú)機(jī)非金屬材料。Email:zyb1976@126.com

國(guó)家自然科學(xué)基金(51102057),廣西自然科學(xué)基金(2013GXNSFBA019262),科技部科研院所專項(xiàng)(2012EG115007)

王金亮(1981-),男,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)材料學(xué)碩士,工程師。研究方向:材料化學(xué)。E-mail:wjinliang@163.com

左艷彬,周海濤,張昌龍,等.摻雜Zn O超快閃爍體單晶研究進(jìn)展[J].超硬材料工程,2015,27(2):51-56.