閃爍材料是一種可以被特種射線如X射線、γ射線、中子等激發(fā)產(chǎn)生紫外或可見光的功能材料，因其出色的輻射探測能力可以用到石油資源勘探、醫(yī)學(xué)影像、毒 品以及危險物品安全檢查、工業(yè)探傷等領(lǐng)域中。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所特種影像材料與技術(shù)研究中心孫承華團隊聚焦于鈣鈦礦等閃爍材料的合成、發(fā)光性能調(diào)控及其在X射線、γ射線、中子、質(zhì)子成像領(lǐng)域的研究，并取得系列成果(J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 21302; Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2300607; ACS Nano, 2024, 18, 16715-16725; Rare Met. 2024, 43, 175–185)。其中，快中子射線具有更高的能量和極強的穿透能力，使其在檢測大型和高密度設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和低密度缺陷方面具有不可替代的作用，但快中子照相技術(shù)（FNR）的分辨率難以提升，是阻礙快中子成像技術(shù)推廣應(yīng)用的主要瓶頸。

近日，研究團隊通過一步無溶劑熔融淬火方法開發(fā)了一種混合金屬鹵化物高透明玻璃態(tài)閃爍屏(BTPP)1.8(HTPP)0.2MnBr4，將快中子成像的空間分辨率由2.56 lp mm^-1提高到5 lp mm^-1的空間分辨率，為目前報道的世界最高數(shù)值。研制的閃爍屏的透過率超過70%（500-800 nm），光致發(fā)光量子產(chǎn)率高達85.54%，光輸出是同等厚度ZnS(Ag): PP商用閃爍屏的三倍。溫度依賴的X射線衍射、光致發(fā)光和第一性原理分子動力學(xué)計算揭示了不透明多晶態(tài)和透明玻璃態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)換機制，并明晰了玻璃態(tài)的形成機制歸因于三苯基鏻的高空間位阻以及快速淬滅處理導(dǎo)致的分子隨機排列凍結(jié)的共同作用。該制備策略易于制備大面積閃爍屏，且形狀可控、韌性良好，為替代傳統(tǒng)快中子閃爍屏提供了基礎(chǔ)。這項工作顯著提高了快中子成像的適用性，并將進一步推進快中子成像在大型設(shè)備無損檢測技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。

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圖1.替代常規(guī)FNR策略的設(shè)計

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圖2.混合金屬鹵化物透明閃爍屏的制備和表征

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圖3.玻璃態(tài)和多晶態(tài)閃爍屏的AIMD模擬和透明發(fā)光示意圖

相關(guān)成果以Research Article的形式發(fā)表在Nature Communications期刊上，文章的第一作者為理化所博士生周子安，通訊作者為理化所孫承華研究員和鄭金曉特別研究助理、中國原子能科學(xué)研究院賀林峰研究員。不來梅大學(xué)李勇博士、理化所康雷研究員和李云飛博士在第一性原理分子動力學(xué)計算方面、四川輕化工大學(xué)王琦標教授和楊洪超博士在快中子物理過程模擬計算方面做出了重要貢獻。這項工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)委員會聯(lián)合基金、國家重點研發(fā)計劃和內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)研究啟動基金等項目的資助。

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