一种镓钪共掺氧化锌闪烁单晶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种镓钪共掺氧化锌闪烁单晶及其制备方法。所述的镓钪共掺杂氧化锌闪烁单晶ZnO:GaXScY同时含有Ga3+和Sc3+两种掺杂离子，其中，Ga3+在氧化锌闪烁单晶中的最终掺杂浓度X为1～1000ppm，Sc3+在氧化锌闪烁单晶中的掺杂浓度Y为10～10000ppm。所述的制备方法为以氧化锌为原料，采用水热法生长镓钪共掺杂氧化锌闪烁单晶。本发明专利技术所述的镓钪共掺氧化锌闪烁单晶闪烁及物理性能优异，而且易于生长得到大尺寸高质量单晶。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种掺杂氧化锌闪烁单晶，具体涉及一种镓钪共掺杂氧化锌闪烁单晶 及其制备方法。
技术介绍
闪烁晶体材料是一种吸收高能粒子后发出可见光的功能材料，作为常规及特种闪 烁探测器的核心材料被广泛的应用于影像核医学（PET)、核物理及高能物理、工业CT、油井 勘探、安全稽查、核空间物理、核测量学等重要领域。与普通的塑料、液体、液晶以及荧光粉 等闪烁材料相比，无机闪烁晶体具有密度高、体积小、物化性能和闪烁性能优良等显著特 点，从而使它在所有实用的闪烁材料中占据了重要的地位。掺杂氧化锌（ZnO:M)制备的闪 烁探测器普遍具备高能粒子俘获截面大，超快衰减时间，光产额高，测试效率高，计数准确， 易与光电计数管匹配等优势，受到人们的关注。如掺镓氧化锌（ZnO:Ga)具有亚纳秒的衰减 时间（0.7ns)，中等密度（5. 6g/cm3)以及高光输出（15000光子/MeV)，强的抗辐照能力和 截止能量等性能而被证明是很优异的超快脉冲辐射探测器无机闪烁材料。 但是，由于大尺寸高质量镓掺杂氧化锌体单晶体生长的困难性一直没有得到很好 的实际应用。ZnO:Ga是强极性氧化物，在高温生长过程中还具有强烈的极性析晶特性，加 之生长速度缓慢，-c方向不生长等使得水热法ZnO:Ga晶片的成品率极低。即使已生长完 整的ZnO:Ga单晶也具有差异明显的Ga面、0面，两种晶面的结晶质量存在很大差别，电阻 率测试也有量级不同，在实际器件开发中很难配套光电转换部件和稳定荷载电压。因此寻 找一种达到ZnO:Ga闪烁与物理性能又易于生长的氧化锌基闪烁单晶成为一个亟待解决的 难题。【专利
技术实现思路
】 本专利技术要解决的技术问题是提供一种闪烁及物理性能优异、易于生长的镓钪共掺 杂氧化锌闪烁单晶及其制备方法。 本专利技术所述的镓钪共掺杂氧化锌闪烁单晶ZnO:GaxScy，该氧化锌闪烁单晶中同时 含有Ga3+和Sc3+两种掺杂离子。 具体地，本必得所述的镓钪共掺杂氧化锌闪烁单晶中，Ga3+在氧化锌闪烁单晶中的 掺杂浓度为1~lOOppm，Sc3+在氧化锌闪烁单晶中的掺杂浓度为10~lOOOppm。 本专利技术所述镓钪共掺杂氧化锌闪烁单晶的制备方法，通过采用水热法生长镓钪共 掺杂氧化锌闪烁单晶，具体包括：取氧化锌原料置于衬套管底部，向其中加入含镓化合物和 含钪化合物，再加入矿化剂，在衬套管的顶部悬挂籽晶或贵金属丝，之后将衬套管密封，放 入高压釜中，在衬套管和高压釜的夹层加入一定量去离子水或蒸馏水，然后将高压釜密封， 将密封后的高压釜置于两段式电阻炉内加热，控制溶解区温度为320~450°C，控制生长区 温度与溶解区温度的温差为10~50°C，经过一定时间的恒温生长，即得到镓钪共掺杂氧 化锌闪烁单晶；其中，所述含镓化合物的加入量按含镓化合物中Ga3+占氧化锌原料用量的 0. 001~0.lmol%计，所述含钪化合物的加入量按含钪化合物中Sc3+占氧化锌原料用量的 0· 001 ~0·lmol%计。 上述制备方法中，所述的含镓化合物可以是选自Ga203、GaF3、GaCl3、GaBr3、Gal3、 Ga(N03)3、Ga(OH) 3、Ga2 (S04) 3和GaN等中的一种或两种以上的组合。当含镓化合物的选择为 上述两种以上的组合时，它们之间的配比可以为任意配比。 上述制备方法中，所述的含钪化合物可以是选自Sc203、ScF3、ScCl3、ScBr3、Scl3、、 Sc(N03)3、Sc(OH) 3、Sc2 (S04) 3和ScN等中的一种或两种以上的组合。当含钪化合物的选择为 上述两种以上的组合时，它们之间的配比可以为任意配比。 上述制备方法中，所述的矿化剂的选择可以与现有技术相同，但优选为为含有Κ0Η 和LiOH的水溶液（可以是仅只含有Κ0Η或者是同时含有Κ0Η和LiOH的水溶液），其中Κ0Η 的浓度优选为2~10m〇l/L，LiOH的浓度优选为0~2mol/L〇 上述制备方法中，所述矿化剂填充度的选择可以与现有技术相同，本申请优选为 50~90%，进一步优选为65~80%。所述去离子水或蒸馏水填充度的选择也与现有技术 相同，本申请优选为50~90 %，进一步优选为65~80 %。 上述制备方法中，所述生长的时间根据试验的目的及衬套管的大小等因素进行具 体限定，通常情况下，选择的生长时间为10~90天。 上述制备方法中，籽晶为片状ZnO晶体，通常是经过研磨抛光的（0001)或（1010) 面片状ZnO晶片。 上述制备方法中，采用的生长设备高压釜为现有技术中常规水热法生长时所用高 压釜，其中衬套管的材质通赏为黄金或铂金材质，贵金属丝通常为金丝或铂丝。 与现有技术相比，本专利技术的特点在于： 1、在水热氧化锌晶体生长过程中同时掺杂镓、钪两种元素，一方面，制备得到的镓 钪共掺氧化锌（Zn0:GaxScy)闪烁单晶具有与Zn0:Ga晶体接近的闪烁性能和物理特性，并且 克服了水热法生长Zn0:Ga单晶易出现各种缺陷、位错和+c方向单极生长的难题，制得的晶 体质量好，无开裂，能够更好的应用于超快闪烁探测与成像等领域甚至替代Zn0:Ga无机闪 烁体；另一方面，制备得到的镓钪共掺氧化锌闪烁单晶具有区别于Zn0:Ga与Zn0:Sc晶体的 崭新的物理化学特性；再者，制备得到的镓钪共掺氧化锌闪烁单晶具有+c与-c双极生长习 性，实现了 -c晶面的利用，所得晶体具有优异的结晶质量和较快的生长速度。 2、本专利技术所述方法生长镓钪共掺氧化锌闪烁单晶，其对掺杂元素的相容性较高， 单一掺杂元素的摩尔百分比在原料量的0. 001~0.lmol%之间，通过调整Ga、Sc元素的比 例可获得不同物理性能的镓钪共掺氧化锌闪烁单晶。 3、本专利技术所述方法生长得到的镓钪共掺氧化锌闪烁单晶具有结晶质量高、掺杂均 匀性好、通透性好、热应力小等优点。【附图说明】 图1为本专利技术实施例中所使用的高压釜； 图2为本专利技术实施例1生长得到的镓钪共掺杂氧化锌闪烁单晶的图片； 图3为本专利技术实施例2生长得到的镓钪共掺杂氧化锌闪烁单晶的图片； 图4为本专利技术实施例2生长得到的镓钪共掺杂氧化锌闪烁单晶的双晶摇摆曲线； 图5为本专利技术实施例3生长得到的镓钪共掺杂氧化锌闪烁单晶的图片； 图6为本专利技术实施例4生长得到的镓钪共掺杂氧化锌闪烁单晶的图片； 图7为本专利技术实施例5生长得到的镓钪共掺杂氧化锌闪烁单晶的图片； 图8为本专利技术实施例5生长得到的镓钪共掺杂氧化锌闪烁单晶的+c面晶片的紫 外可见吸收率曲线。 图中标号为： 1自紧式密封釜塞；2压环；3紧固螺栓；4釜盖；5釜体；6衬套管；7挡板；8生长 区；9溶解区。【具体实施方式】 下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的详述，以更好地理解本专利技术的内容，但 本专利技术并不限于以下实施例。 以下各实施例均是在如图1所示的带有铂金衬套管的自紧式密封结构的高压釜 中进行的。如图1所示，该高压釜包括釜体5和釜盖4,釜盖4上设有与釜体5内腔开口相 互配合的自紧式密封釜塞1，所述釜体5和釜盖4通过压环2连接，周围使用紧固螺栓3密 封；在高压釜釜体5内腔置有一衬套管6 (所述衬套管6的中下部放置有一个在中心和边 缘开孔的挡板7,挡板7下部为溶解区9,挡板7上部为生长区8。氧化锌原料置于溶解区9 内，籽晶通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镓钪共掺杂氧化锌闪烁单晶ZnO:GaXScY，其特征在于：该氧化锌闪烁单晶中同时含有Ga3+和Sc3+两种掺杂离子。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：任孟德，左艳彬，王金亮，周海涛，何小玲，陈超，张昌龙，林峰，
申请(专利权)人：中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，桂林百锐光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广西;45