《表2 BGO和BSO晶体的闪烁性能参数[1]》

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《硅酸铋——一种快计时重闪烁新型多功能晶体材料》

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普遍认为BSO晶体的发光性能与BGO晶体的闪烁发光机理相似，即都属于铋离子（Bi3+）本征发光[41]。Bi3+是一种次过渡族的满壳离子，具有6S2的电子结构，自由Bi3+和晶格场中的Bi3+的电子能级包括基态、激发态。由于Bi3+在BGO晶体中的静电和自旋轨道的相互作用，基态和激发态之间的跃迁概率减小，可能的吸收跃迁是1S0→3P1和1S0→1P1，而Bi3+具有C3对称性，1S0→3P1能级分离变小，则1S0→3P1跃迁被禁止。当Bi3+处于3P1和1P1激发态时，1P1态通过非辐射跃迁（热平衡）迅速进入3P1态，致使Bi3+的发射谱为3P1→1S0[41]。尽管BSO和BGO晶体的闪烁发光机理相似，但是BSO晶体的光输出仅为BGO晶体的1/4，这限制了BSO晶体的广泛应用（表2为BGO和BSO晶体的闪烁性能参数）。而稀土掺杂是提高晶体光输出的主要途径。费一汀等[26]报道了稀土掺杂BSO晶体的闪烁性能，发现Eu3+等稀土离子掺杂能在一定程度上提高晶体的光输出。徐家跃课题组[29]的最近研究发现，其他稀土离子如Yb也能提高晶体的光输出。西班牙、巴西等国的科学家也相继开展了Er3+掺杂BSO晶体的理论计算工作[42-44]。笔者课题组采用改进的坩埚下降法生长了部分稀土离子掺杂的BSO晶体，并研究了其闪烁性能，将Dy3+掺杂到BSO晶体的研究发现[14-15]:临界浓度掺量（1.0%，摩尔分数）的Dy3+掺杂几乎没有改变BSO晶体的相对光输出，随着Dy3+掺杂浓度的增加，BSO晶体的相对光输出明显降低；反之，则相对光输出明显增加。其中0.05%和0.1%的Dy3+掺杂BSO晶体的相对光输出相比纯BSO晶体提高了近45%，如图8所示。其原因是Dy3+存在4F9/2→6H15/2的能级跃迁（约480 nm），增强了Bi3+的本征发光（480 nm）（如图9所示） 。理解BSO晶体Bi3+本征发光偏低的原因，然后通过特定稀土离子掺杂调控畸变的BSO晶体的晶场结构，可全面提升其闪烁性能。