氟化铅的应用

背景及概述^[1][2]

氟化铅晶体具有密度高7.7g/cm3,是目前性能的契伦可夫发光材料之一，但纯氟化铅晶体不是闪烁发光材料。通过在氟化铅晶体引入铕、铽等发光离子可以使氟化铅晶体产生闪烁光，但铕、铽等掺杂的氟化铅的闪烁发光衰减时间均为毫秒级，不能在双读出量能器上使用。

经过详细调研可知，为了获得可见光范围发光的氟化铅材料，多年来众多研发人员开展了以下几个方面的工作：

Mao等人(IEEE Transactions on Nuclear Science,57(6)(2010),3841-3845)对多达116个掺杂不同三价稀土离子及不同掺杂量的氟化铅样品进行了研究，虽然可以发射可见光，但它们的衰减时间太慢，都在毫秒量级，比如Eu3+掺氟化铅样品的衰减时间是8.5ms，不符合双读出材料所要求的快衰减的指标(低于1.0μs)。

另一类研究工作集中在非掺杂的氟化铅材料本身。众所周知，氟化铅材料存在β(立方相)和α(正交相)相两种晶体结构，其中β相氟化铅材料已经被证实在常温下检测不到可见光区域的发光现象；而α相氟化铅材料在350-550nm波段存在发光现象，衰减时间在15-30ns。

因此，如果可以将β相氟化铅材料成功转换为α相，将使氟化铅应用于双读出材料成为可能，因此，D.F.Anderson曾采用高温等静压方法对β-氟化铅材料进行高温(540℃)高压(2katm)处理(Nucl.Instr.And Meth.In Phys.Res.A342(1994):473-476)，成功获得了α-氟化铅材料，并在300-500nm波段检测到了微弱的闪烁光(60Coγ-ray作为激发源)。然而该方法采用复杂的高温等静压工艺，成本高昂，获得大尺寸的α-氟化铅材料的难度较大，进一步提高闪烁光强度的空间也不大。

理化性质及结构^[1]

氟化铅晶体是一种重要的超离子导体，在微电子和光电子器件方面有着广泛的应用。例如，可以作为固体电解质、隔膜和化学传感器材料。另外，氟化铅晶体具有密度高、辐射长度短、平均原子序数大及透光范围延伸至紫外区的特点，因此有望成为最理想的Cherenkov辐射体。研究表明氟化铅材料的性能在很大程度上与减小晶粒尺度至纳米量级有直接关系。

氟化铅

应用^[3]

与氧化物相比，氟化物晶体具有低的声子能量，这使稀土离子能级间存在较低的无辐射衰减，提高了光学跃迁的量子效率和延长了上能级的寿命，从而有利于储能。最近研究发现立方结构氟化铅的晶体，具有更低的声子能量，这极大地减少了无辐射跃迁的几率，提高了光学跃迁的量子效率；较高的折射率增强了自发辐射几率，使稀土离子能级间具有适中的发射截面；另外，较宽的透过波段范围(0.25～12.5μm)，制备成本较低，易获得大尺寸样品等优点。

制备α-氟化铅：

先将氟化铅放入装有水的水热反应釜中，密封后，在100～200℃下进行水热处理至少2小时；所述水热反应釜由聚四氟乙烯内衬和不锈钢外套构成，所述水的加入量不高于水热反应釜体积的70%。

作为优选方案，所述β-氟化铅选自β-氟化铅单晶或/和β-氟化铅粉末。

作为优选方案，所述加热装置选自烘箱、管式炉或箱式炉。

作为优选方案，水热处理的时间为5～24小时，水热处理的温度为150～200℃。

作为进一步优选方案，所述水热处理的时间为10～24小时。

与现有技术相比，该制备方法方便快捷，成本低廉；所得α-氟化铅结晶性能较高，而且在该材料中检测到了光致发光现象，发光峰位位于470-570nm之间(峰值波长516nm)，激发波长365nm左右，属于带状发射谱，有望在高能物理探测，如双读出材料等领域获得应用。

氟化铅闪烁晶体材料：

将纯度为99.99％的PrF3和氟化铅按分子式Pr0.005氟化铅.015配比准确称量，原料总质量为500克；所述的原料充分混合后置于200℃真空烘箱中干燥10小时；将烘干的原料在干燥Ar保护下转入尺寸为20×20×200mm铂金坩埚中，密封坩埚；将所述的坩埚置于下降法生长炉内，然后控制生长炉以30℃/分钟的速度升温，直到铂金坩埚温度为890℃，保温5小时；晶体生长固液界面温度梯度设置35℃/cm；以2mm/小时速度缓慢下降坩埚；晶体生长完成后以30℃/小时缓慢降温直到室温。将所生长晶体切割、研磨、抛光后的14.3×14.3×1mm的晶体样品。

主要参考资料

[1]任国浩, 沈定中, & 王绍华. (1999). 氟化铅晶体中的散射颗粒. 无机材料学报, 14(4), 535-542.

[2]沈定中, 袁湘龙, 张黎星, 邓群, 李培俊, & 殷之文. (1995). 大尺寸氟化铅晶体的生长. 硅酸盐学报(6), 667-672.

[3]任国浩, 沈定中, 王绍华, 刘光煜, & 殷之文. (1999). 氟化铅晶体中300nm光吸收带的起因. 人工晶体学报, 28(3), 253-257.