本發(fā)明屬于核輻射探測領(lǐng)域，尤其是涉及一種量子點復合閃爍體材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

核輻射探測在高能物理實驗、核物理實驗、核醫(yī)學成像、宇宙線探測、同步輻射應用、武器研究、反恐安檢、核應急處置等方面具有重要作用，其中包含了諸多涉及國家安全和大科學裝置的重大需求。核輻射探測包括對各種帶電粒子(如電子、質(zhì)子、α粒子、裂變碎片)、中性粒子(如中子)和高能光子(如x射線和γ射線)進行時間分辨、能量分辨、空間分辨和粒子甄別測量。在眾多的核輻射探測裝置中閃爍探測器由于具有效率高、靈敏體積大等優(yōu)點成為使用最廣泛的探測方法之一。

閃爍探測器的基本原理是由核輻射與閃爍體相互作用，閃爍體吸收了輻射粒子的能量后產(chǎn)生可見光-近紫外光發(fā)射(稱作閃爍發(fā)光)，閃爍發(fā)光被光電倍增管等光電器件收集并轉(zhuǎn)換成電信號，由電子學系統(tǒng)記錄，便可實現(xiàn)對輻射的探測。閃爍發(fā)光過程包括輻射粒子能量轉(zhuǎn)換、次級電子激發(fā)、電子熱化、發(fā)光中心激發(fā)和光發(fā)射，整個閃爍過程包含了輻射粒子的信息，因此對閃爍光的反演即可實現(xiàn)對輻射的認知。

閃爍體的發(fā)展制約著探測系統(tǒng)能力的提升，傳統(tǒng)閃爍體在探測效率、探測能力、成本等方面的發(fā)展相對滯后，迫切需要開發(fā)滿足輻射探測需求的新型閃爍體材料。發(fā)光量子點材料作為高量子效率發(fā)光材料在照明顯示等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，量子點的發(fā)光波長可以通過量子點的尺寸加以調(diào)節(jié)，更有利于其發(fā)光光譜與探測器件的相應匹配。但直接采用發(fā)光量子點材料作為閃爍體還存在諸多技術(shù)問題需要解決。例如量子點產(chǎn)品都是分散在溶液中的顆粒，在作為閃爍體材料時需要制備出高密度的塊體材料。letant,s.e.等人發(fā)展了方法可以將量子點材料分散在多孔材料中實現(xiàn)塊體材料的閃爍應用(semiconductorquantumdotscintillationundergamma-rayirradiation,nanoletters,vol.6,pp.2877-2880(2006))。然而該材料探測效率不高，主要原因是多孔材料密度較低，多孔材料基質(zhì)本身與量子點之間無關(guān)聯(lián)耦合，基質(zhì)材料對伽馬射線等輻射的能量吸收無法傳遞到量子點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種解決發(fā)光量子點在閃爍應用中的效率問題，通過建立基質(zhì)材料與量子點發(fā)光材料的能量傳遞過程，大幅度提高其閃爍效率的量子點復合閃爍體材料及其制備方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種量子點復合閃爍體材料，包括有機塑料基質(zhì)以及分散在有機塑料基質(zhì)中的有機高原子序數(shù)材料、有機發(fā)光體及量子點發(fā)光材料，

所述的有機高原子序數(shù)材料的含量為1-5wt％，

所述的有機發(fā)光體的含量為5-15wt％，

所述的量子點發(fā)光材料的含量為10-20wt％。

所述的有機塑料基質(zhì)為ps、pmma或pvt中的一種。

所述的有機高原子序數(shù)材料為有機鉛、有機鉍或有機镥中的一種。

優(yōu)選地，有機高原子序數(shù)材料為二烷基鉛、三烷基鉛、四烷基鉛、羧酸鉍或氯化雙(環(huán)戊二烯基)镥。

所述的有機發(fā)光體包括p-tp、ppo或pbd中的一種，有機發(fā)光體的波長范圍為340-380nm。

所述的量子點發(fā)光材料為單核量子點和/或核殼結(jié)構(gòu)量子點，量子點發(fā)光材料的尺寸為2-10nm，發(fā)光范圍為400-750nm。

所述的單核量子點為cdse或cdte，所述的核殼結(jié)構(gòu)量子點為cdse/zns、cdte/zns或cdte/cds。

量子點復合閃爍體材料的制備方法，采用以下步驟：

(1)將減壓蒸餾過的有機塑料基質(zhì)、有機高原子序數(shù)材料、有機發(fā)光體分散在非極性溶液量子點發(fā)光材料在厭氧瓶中，抽真空并沖入氮氣，并采用超聲混合；

(2)在恒溫箱中30-35℃時保溫90-100小時，然后緩慢升溫至40-50℃并保持50-60小時，然后再次緩慢升溫至100-110℃并保持50-60小時，使之完全聚合固化，最后自然冷卻至室溫；

(3)從厭氧瓶中取出樣品并切割拋光即可獲得最終樣品。

步驟(2)的升溫速率控制在2-3℃/h。

塑料基質(zhì)與摻入物質(zhì)共同吸收輻射能量，其中摻入的有機發(fā)光劑在輻射作用下具有高的發(fā)光量子效率，但是這些發(fā)光劑的發(fā)射波長位于紫外線，因此不利于直接用于閃爍探測，其發(fā)射的能量可以直接激發(fā)量子點發(fā)光材料，產(chǎn)生可見區(qū)的發(fā)光，有利于光電倍增管等探測設(shè)備接受。由于塑料基質(zhì)的密度低，原子序數(shù)小，不利于對高能伽馬射線的吸收，因為為了增強材料對伽馬射線的吸收，加入高原子序數(shù)材料鉛、鉍或镥。其閃爍發(fā)光及其能量傳遞過程具體如下：lumo和homo分別是能帶結(jié)構(gòu)的最低非占據(jù)態(tài)和最高占據(jù)態(tài)，當x射線或伽馬射線激發(fā)樣品時，以基質(zhì)材料為主的電子能帶結(jié)構(gòu)會在高能光子的激發(fā)下，產(chǎn)生大量空穴型或電子型自由載流子，當摻入高原子序數(shù)材料時，通過產(chǎn)生電子對效應或康普頓效應或光電效應，對高能光子的阻止本領(lǐng)將顯著增強，從而可以將更多的能量用于產(chǎn)生自由載流子，提高能量轉(zhuǎn)換效率。這些自由載流子可以通過能量傳遞激發(fā)量子點發(fā)光，也可以通過有機發(fā)光體作為能量傳遞的媒質(zhì)，實現(xiàn)自由載流子到有機發(fā)光體到量子點發(fā)光體的能量傳遞和轉(zhuǎn)換過程。材料中，由于有機發(fā)光體的發(fā)光波長比量子點發(fā)光波長短(發(fā)射光子能量高)，因此從有機發(fā)光體到量子點發(fā)光的能量傳遞屬于典型的高效率下轉(zhuǎn)換過程。該材料組分設(shè)計，即考慮了對高能輻射光子的有效吸收，又最大限度的通過能量傳遞，實現(xiàn)了閃爍體發(fā)光的高效率。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)通過高原子序數(shù)材料的摻入實現(xiàn)了對高能光子阻止本領(lǐng)的提高，通過建立基質(zhì)材料與量子點材料的能量傳遞過程，最終實現(xiàn)了量子點發(fā)光材料在輻射激發(fā)下的高閃爍效率。

(2)該材料可以較廉價地批量生產(chǎn)，易于推廣應用。

附圖說明

圖1為實施例1的x射線激發(fā)發(fā)光光譜。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

實施例1

取減壓蒸餾過的2g苯乙烯(styrene)、40mg二烷基鉛、200mg有機發(fā)光劑p-tp、折合固含量為200mg的油溶性量子點cdse/zns發(fā)光材料(取10ml液體，每毫升含量為20mg)。在厭氧瓶中，抽真空并沖入氮氣，并采用超聲混合2小時。在恒溫箱中30℃時保溫100小時，然后緩慢升溫(2℃/h)至50℃并保持50小時，然后再次緩慢升溫(2℃/h)至100℃并保持50小時，使之完全聚合固化。最后自然冷卻至室溫。從厭氧瓶中取出樣品并切割拋光即可獲得最終樣品。

為了充分說明鉛、有機發(fā)光劑的引入對于閃爍特性的影響，我們同時制備了只包含鉛和量子點的樣品(對比樣品1)和只包含有機發(fā)光劑和量子點的樣品(對比樣品2)。

采用硬x射線激發(fā)樣品采集的發(fā)射譜，圖1所示。結(jié)果表明按照上述設(shè)計的樣品具有很好的發(fā)光強度，只包含鉛和量子點的樣品(對比樣品1)和只包含有機發(fā)光劑和量子點的樣品(對比樣品2)具有更好的發(fā)光強度。

實施例2

一種量子點復合閃爍體材料，包括有機塑料基質(zhì)ps以及分散在有機塑料基質(zhì)中的有機高原子序數(shù)材料、有機發(fā)光體及量子點發(fā)光材料，其中，采用的有機高原子序數(shù)材料為二烷基鉛，含量為1wt％，有機發(fā)光體為p-tp，波長范圍為340-380nm，含量為5wt％，量子點發(fā)光材料為cdse，尺寸為2nm，發(fā)光范圍為400-750nm，含量為10wt％。

量子點復合閃爍體材料的制備方法，采用以下步驟：

(1)將減壓蒸餾過的有機塑料基質(zhì)、有機高原子序數(shù)材料、有機發(fā)光體分散在非極性溶液量子點發(fā)光材料在厭氧瓶中，抽真空并沖入氮氣，并采用超聲混合；

(2)在恒溫箱中30℃時保溫100小時，然后控制升溫速率為2℃/h，緩慢升溫至40℃并保持60小時，然后控制升溫速率為2℃/h，再次緩慢升溫至100℃并保持60小時，使之完全聚合固化，最后自然冷卻至室溫；

(3)從厭氧瓶中取出樣品并切割拋光即可獲得最終樣品。

實施例3

一種量子點復合閃爍體材料，包括有機塑料基質(zhì)pmma以及分散在有機塑料基質(zhì)中的有機高原子序數(shù)材料、有機發(fā)光體及量子點發(fā)光材料，其中，采用的有機高原子序數(shù)材料為羧酸鉍，含量為3wt％，有機發(fā)光體為ppo，波長范圍為340-380nm，含量為10wt％，量子點發(fā)光材料為核殼結(jié)構(gòu)量子點為cdse/zns，尺寸為5nm，發(fā)光范圍為400-750nm，含量為15wt％。

量子點復合閃爍體材料的制備方法，采用以下步驟：

(1)將減壓蒸餾過的有機塑料基質(zhì)、有機高原子序數(shù)材料、有機發(fā)光體分散在非極性溶液量子點發(fā)光材料在厭氧瓶中，抽真空并沖入氮氣，并采用超聲混合；

(2)在恒溫箱中30℃時保溫100小時，然后控制升溫速率為3℃/h，緩慢升溫至40℃并保持60小時，然后控制升溫速率為3℃/h，再次緩慢升溫至100℃并保持60小時，使之完全聚合固化，最后自然冷卻至室溫；

(3)從厭氧瓶中取出樣品并切割拋光即可獲得最終樣品。

實施例4

一種量子點復合閃爍體材料，包括有機塑料基質(zhì)pvt以及分散在有機塑料基質(zhì)中的有機高原子序數(shù)材料、有機發(fā)光體及量子點發(fā)光材料，其中，采用的有機高原子序數(shù)材料為氯化雙(環(huán)戊二烯基)镥，含量為5wt％，有機發(fā)光體為pbd，波長范圍為340-380nm，含量為15wt％，量子點發(fā)光材料為核殼結(jié)構(gòu)量子點為cdte/cds，尺寸為10nm，發(fā)光范圍為400-750nm，含量為20wt％。

量子點復合閃爍體材料的制備方法，采用以下步驟：

(1)將減壓蒸餾過的有機塑料基質(zhì)、有機高原子序數(shù)材料、有機發(fā)光體分散在非極性溶液量子點發(fā)光材料在厭氧瓶中，抽真空并沖入氮氣，并采用超聲混合；

(2)在恒溫箱中35℃時保溫90小時，然后控制升溫速率為3℃/h，緩慢升溫至50℃并保持50小時，然后控制升溫速率為3℃/h，再次緩慢升溫至110℃并保持50小時，使之完全聚合固化，最后自然冷卻至室溫；

(3)從厭氧瓶中取出樣品并切割拋光即可獲得最終樣品。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。