本發(fā)明屬于核輻射探測(cè)領(lǐng)域，尤其是涉及一種利用周期金屬結(jié)構(gòu)調(diào)控的閃爍體。

背景技術(shù)：

閃爍探測(cè)系統(tǒng)在核醫(yī)學(xué)成像、高能物理實(shí)驗(yàn)、核物理實(shí)驗(yàn)、核武器探測(cè)、反恐安檢等領(lǐng)域具有重要用途。閃爍體吸收核輻射粒子的能量并將其轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光或近紫外光，后者被光電探測(cè)器(光電倍增管、光二極管、CCD器件等)接收從而實(shí)現(xiàn)對(duì)核輻射的探測(cè)。閃爍體的發(fā)光特性決定了閃爍探測(cè)器的能力和應(yīng)用范圍，是探測(cè)系統(tǒng)中的核心器件。然而平面閃爍體發(fā)光沒(méi)有特定取向，屬于滿足余弦函數(shù)的朗伯發(fā)射體，為了避免輻射直接進(jìn)入光電探測(cè)器，閃爍體需要離開(kāi)探測(cè)器一段距離布置于某個(gè)特定方向，無(wú)法采用常規(guī)接觸式的耦合方式，導(dǎo)致只有一定立體角內(nèi)的光可以進(jìn)入探測(cè)器，而大部分光子則被浪費(fèi)了，降低了光子的利用效率，因此調(diào)控閃爍體發(fā)光的方向性非常必要。

金屬顆?？梢援a(chǎn)生局域表面等離激元，當(dāng)把金屬可以按照周期結(jié)構(gòu)布置以后，局域表面等離激元所形成的模式就可能與周期結(jié)構(gòu)形成的晶格共振模式相互耦合，產(chǎn)生被衍射的表面等離激元模式，該種模式也稱之為表面晶格共振模式。由于局域表面等離激元具有局域的特征，因此該模式產(chǎn)生的一個(gè)必須條件是，晶格共振必須沿著周期陣列的表面?zhèn)鞑?，即瑞利反常。這樣晶格共振才可能與局域表面等離激元在空間上滿足耦合條件。該現(xiàn)象的物理本質(zhì)可以參考文獻(xiàn)(S.R.K.Rodriguez等人,Physical Review X，1,021019,2011)。

該表面晶格共振最大的優(yōu)勢(shì)是保留了表面等離激元模式的特征，又通過(guò)晶格衍射在空間上拓展了其原來(lái)的局域特征，這為我們利用該原理調(diào)控閃爍體發(fā)光提供了可能性。

公布號(hào)為CN 105891870 A的專利申請(qǐng)(利用表面等離激元調(diào)控的方向性發(fā)射閃爍體)公開(kāi)了一種利用該表面晶格共振產(chǎn)生的發(fā)光方向性調(diào)控。申請(qǐng)中所述結(jié)構(gòu)包括了基底層、基底層上面布置的金屬周期陣列結(jié)構(gòu)和布置在金屬周期陣列結(jié)構(gòu)上的塑料閃爍體。其中基底層采用的是硅片或石英玻璃，無(wú)論是硅片或石英玻璃，在調(diào)控發(fā)光方向性上都具有效果，但是采用硅片作為基底，材料的發(fā)光效率明顯下降。

經(jīng)過(guò)物理分析，我們發(fā)現(xiàn)，這是由于金屬陣列層處于各向異性折射率的環(huán)境中導(dǎo)致的，硅片在塑料閃爍體主發(fā)射波長(zhǎng)處(380-450nm)的折射率為6.5-4.6，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于塑料閃爍體在該波段的折射率(約1.50)。由于如此大的折射率差，導(dǎo)致晶格共振中的衍射效率明顯下降，因此該結(jié)構(gòu)的整體發(fā)光效率較低。

然而在重離子探測(cè)場(chǎng)合(例如探測(cè)阿法粒子、Ar離子等)，即使是高純的石英基底也會(huì)產(chǎn)生足夠的干擾發(fā)光，影響實(shí)驗(yàn)測(cè)量。這是因?yàn)樵诠腆w材料中重離子的穿透距離約為10-50微米，在該距離上將沉積大量的粒子能量，屬于高能量密度激發(fā)，即使是高純氧化物材料，也會(huì)由于其內(nèi)部具有微量的缺陷而產(chǎn)生發(fā)光，這將導(dǎo)致基底的發(fā)光與閃爍體的發(fā)光混合，影響實(shí)驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確性。(高純SiO₂在重離子激發(fā)下的發(fā)光可參考文獻(xiàn)：中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所和蘭州重離子研究裝置年報(bào)(英文版),宋銀等《重離子輻照引起的SiO₂的發(fā)光特性研究(英文)》p100，2011)。因此實(shí)踐中，對(duì)于重離子的探測(cè)，需要避免透明基底材料。硅片由于在可見(jiàn)區(qū)不透明，因此不會(huì)產(chǎn)生上述干擾發(fā)光，成為重離子探測(cè)中閃爍體基底的必要選擇。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中硅片基底上表面晶格共振調(diào)控方向性發(fā)射時(shí)效率低下的問(wèn)題缺陷而提供一種利用周期金屬結(jié)構(gòu)調(diào)控的閃爍體。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種利用周期金屬結(jié)構(gòu)調(diào)控的閃爍體，包括

基底層，

布置在基底層上的金屬周期陣列結(jié)構(gòu)，

布置在金屬周期陣列結(jié)構(gòu)上的塑料閃爍體，

所述的基底層的上表面還鍍?cè)O(shè)有透明介質(zhì)層，所述的金屬周期陣列結(jié)構(gòu)布置在透明介質(zhì)層的上表面。

所述的透明介質(zhì)層為在塑料閃爍體發(fā)光譜區(qū)間(380-450nm)透明的介質(zhì)層。

所述的透明介質(zhì)層的折射率n₂與塑料閃爍體的折射率n₁滿足如下關(guān)系：|n₁-n₂|<0.2，其中n₁＝1.49-1.59，對(duì)應(yīng)的最大和最小值分別為聚苯乙烯的1.59，聚甲基丙烯酸甲酯的1.49。透明介質(zhì)層的作用是使得金屬周期陣列所處的折射率環(huán)境盡可能的一致，即與金屬周期陣列接觸的上部與下部材料的折射率差盡可能地小，這里給出了一個(gè)范圍。這樣就避免了金屬周期陣列與高折射率的硅的直接接觸，從而提高衍射效率。

所述的透明介質(zhì)層的厚度為1-2μm，厚度的選取必須恰當(dāng)，需要考慮如下主要因素：1、厚度必須超過(guò)表面等離激元形成的近場(chǎng)覆蓋區(qū)域，否則會(huì)通過(guò)近場(chǎng)耦合與硅發(fā)生相互作用，而硅又具有顯著的吸收，因此會(huì)耗散表面等離激元的部分能量，不利于效率的提高，該厚度要求大于波在介質(zhì)層中大約1個(gè)波長(zhǎng)，約為260nm。2、避免在該層中形成強(qiáng)烈導(dǎo)波模式，因此需要一定的厚度，使得上下兩個(gè)界面反射后的波列的長(zhǎng)度超出相干長(zhǎng)度，或是顯著降低這種相干性，滿足該要求的厚度至少為1-2μm。3、該層厚度也不能太厚，否則會(huì)引起重離子激發(fā)時(shí)的干擾發(fā)光。結(jié)合這三個(gè)要求選擇1-2μm較為合適。

更加優(yōu)選的，透明介質(zhì)層的厚度為1.5-1.8μm。

所述的透明介質(zhì)層的材質(zhì)為SiO₂、Al₂O₃、BaF₂或CaF₂。作為優(yōu)選的實(shí)施方式，材質(zhì)可以采用SiO₂。

所述的基底層為硅片。

所述的基底層還可以采用表面具有氧化層的硅片，有時(shí)直接鍍制介質(zhì)層其附著力不夠，因此可以采取先在馬弗爐里進(jìn)行1000攝氏度氧化處理，在硅片表面形成一層30-100nm厚的SiO₂層，這樣在鍍制介質(zhì)層時(shí)就容易附著。

所述的金屬周期陣列結(jié)構(gòu)為呈正方形或三角形結(jié)構(gòu)周期分布的柱狀金屬單元形成的陣列，相鄰金屬單元之間的距離為280-320nm，金屬單元的直徑為相鄰金屬單元之間的距離的0.4-0.5，金屬單元的高度為80-100nm。方向性的調(diào)控取決于塑料閃爍體的發(fā)光波長(zhǎng)(中心波長(zhǎng)420nm，半高寬約50nm)，周期值，金屬直徑和金屬高度，同時(shí)與襯底的折射率也有密切關(guān)系。精確的確定這些結(jié)構(gòu)參數(shù)需要采用有限時(shí)域差分(FDTD)的方法進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算與優(yōu)化?？紤]到發(fā)光具有一定帶寬，因此周期的合理區(qū)間為280-320nm，金屬的直徑為接近或等于半個(gè)周期。高度的選擇決定于等離激元波長(zhǎng)的1-2倍，合理范圍是80-100nm。

所述的金屬單元的材質(zhì)為銀或鋁。

所述的塑料閃爍體為摻雜有發(fā)光劑和/或移波劑的塑料基質(zhì)，覆蓋在金屬周期陣列結(jié)構(gòu)上，高度為1-3微米，所述的塑料基質(zhì)包括聚甲基苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯，所述的發(fā)光劑包括對(duì)聯(lián)三苯(C₁₈H₁₄)或PBD(C₂₀H₁₄N₂O)，所述的移波劑包括POPOP(C₂₀H₁₄N₂O₂)或BBO(C₂₄H₁₈NO)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)希望塑料閃爍體有盡可能大的厚度，也希望有盡可能好的方向性，但這兩者是矛盾的。1-3微米的選擇兼顧了兩者，當(dāng)厚度太小時(shí)總發(fā)光效率將很低，無(wú)法顯示表面等離激元的優(yōu)勢(shì)，厚度逐漸增加時(shí)總發(fā)光強(qiáng)度將增強(qiáng)，但方向性將有所降低，當(dāng)超過(guò)3微米時(shí)，方向性的效果將基本消失，主要原因是厚度太厚時(shí)上下表面的穩(wěn)定干涉將被破壞，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的發(fā)光中心與表面等離激元的耦合。

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

(1)利用閃爍薄膜進(jìn)行重離子測(cè)量時(shí)，硅片基底因?yàn)榭梢员苊飧蓴_發(fā)光成為必須的選擇，然而現(xiàn)有技術(shù)對(duì)其方向性調(diào)控時(shí)效率損失嚴(yán)重，本發(fā)明在剖析效率損失的物理基礎(chǔ)之上，通過(guò)在硅基底上增加透明介質(zhì)層的方法避免了金屬周期陣列與硅基底直接接觸時(shí)導(dǎo)致的過(guò)大折射率差，從而有效地避免了過(guò)大的衍射損失，最大限度的保持了有效方向性調(diào)控時(shí)的高的發(fā)光效率。

(2)本發(fā)明涉及的結(jié)構(gòu)材料制備技術(shù)成熟，可以制備大面積的材料，可以規(guī)模生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例1中樣品a周期金屬結(jié)構(gòu)的電鏡照片；

圖3為實(shí)施例1中樣品a和樣品b在法線方向上的消光譜；

圖4為實(shí)施例1中采用FDTD方法模擬的消光峰P1、P2和P3峰值強(qiáng)度隨透明介質(zhì)層與閃爍體層折射率差的變化；

圖5為實(shí)施例1中樣品a和樣品b在X射線激發(fā)下發(fā)光強(qiáng)度隨發(fā)射角的變化。

圖中，1為基底層，2為透明介質(zhì)層，3為金屬周期陣列結(jié)構(gòu)，4為塑料閃爍體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1

為了充分說(shuō)明透明介質(zhì)層的作用與效果，本實(shí)施例制作了兩個(gè)樣品，樣品a為沒(méi)有透明介質(zhì)層的對(duì)比樣品，樣品b為具有透明介質(zhì)層的樣品，即屬于本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)。

樣品a的參數(shù)如下：

選擇硅片為基底，硅片上金屬銀柱狀陣列的周期為300nm，金屬銀的直徑為140nm，金屬銀的高度為90nm。塑料閃爍體厚度為1μm。

樣品a的制備過(guò)程如下：

1、金屬銀柱狀陣列制備：

(1)軟模板制備。采用液相法在硬模板上制備全氟辛基三氯硅烷，使得用于納米壓印的硬模板表面和微結(jié)構(gòu)內(nèi)壁表面自組裝生成一層單分子防粘層，此防粘層有較低的自由能，有利于脫模；將甲苯稀釋的PDMS(60wt％)旋涂于經(jīng)過(guò)防粘處理后的納米壓印模板表面，然后進(jìn)行120攝氏度烘烤20分鐘，降至室溫時(shí)脫模，即可獲得PDMS軟模板。

(2)在清洗干凈的硅片上采用勻膠機(jī)旋涂厚度為300nm的PMMA光刻膠，再采用電子束蒸發(fā)沉積一層20nm的SiO₂層，然后再旋涂一層厚度為200nm的STU2紫外光刻膠。

(3)將PDMS軟模板壓到紫外光刻膠上，并用紫外光照射使得紫外光刻膠固化，形成孔狀陣列。

(4)采用含氟氣體的等離子體刻蝕(CF₄、CHF₃)紫外光刻膠的殘余層和SiO₂層。

(5)采用氧氣等離子體刻蝕PMMA光刻膠層。

(6)采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，進(jìn)行金屬銀鍍膜。

(7)鍍完銀膜的樣品放入丙酮中超聲清洗，通過(guò)舉離最后獲得金屬銀的柱狀陣列樣品。圖2顯示了制備好的金屬陣列的原子力顯微圖片，與設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)吻合。(圖2放在這里是可以的)

2、金屬銀陣列上塑料閃爍體膜的制備：

(1)將基質(zhì)為聚苯乙烯，發(fā)光劑為對(duì)聯(lián)三苯(C₁₈H₁₄)，移波劑為POPOP(C₂₀H₁₄N₂O₂)的塑料閃爍體(商品名型號(hào)ST401，我覺(jué)得可以刪掉，直接寫其上述成分即可)放入甲苯中，攪拌1-2小時(shí)，使其充分溶解，從而制得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的溶膠凝膠。

(2)在暗處?kù)o置一天使溶膠凝膠化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定下來(lái)。

(3)將溶膠凝膠旋涂到具有金屬陣列的硅片上，轉(zhuǎn)速為3000rpm，旋涂時(shí)間為8分鐘，經(jīng)過(guò)電鏡表征薄膜厚度約為1μm。

(4)將制備好的樣品放在暗處?kù)o置1天，使薄膜的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定下來(lái)。

樣品b的參數(shù)如下：

選擇硅片為基底，基底上鍍制厚度為1μm的SiO₂層，硅片上金屬銀柱狀陣列的周期為300nm，金屬銀的直徑為140nm，金屬銀的高度為90nm。塑料閃爍體厚度為1微米。

樣品b的制備過(guò)程如下：

除了增加以下步驟以外其余步驟與制備樣品a的步驟一樣。

1、將清洗干凈的硅片置于大氣環(huán)境下的馬弗爐內(nèi)，采用1000攝氏度的溫度處理1小時(shí)，獲得表面約50nm厚的氧化層。

2、采用常規(guī)電子束蒸發(fā)技術(shù)，在氧化層表面制備厚度為1μm的SiO₂層。

圖3是樣品a和樣品b在法線方向(垂直與樣品表面)的消光譜，消光譜可以反映入射光對(duì)于樣品中特定光學(xué)模式激發(fā)的效應(yīng)，消光譜中的峰對(duì)應(yīng)于不同的共振激發(fā)。圖中顯示兩個(gè)樣品都有類似的結(jié)構(gòu)，其中都包含了局域表面等離激元模式涉及的峰值位于488nm和554nm的兩個(gè)寬峰P4和P5；表面晶格共振形成的峰值位于406nm、436nm和460nm三個(gè)帶寬較窄的峰P1、P2和P3。前者具有顯著的局域特征，而后者屬于被衍射的等離激元模式，具有明顯的擴(kuò)展特性，對(duì)于較厚樣品的發(fā)光方向性調(diào)控方面具有決定性的作用。從圖中可以清楚地看到樣品b，即具有透明介質(zhì)層的樣品的P1、P2和P3三個(gè)峰的強(qiáng)度顯著大于樣品a的強(qiáng)度，表明該透明介質(zhì)層對(duì)于表面晶格共振的形成具有作用明顯，因此該設(shè)計(jì)具有明確的物理基礎(chǔ)。另一方面P1、P2和P3三個(gè)峰覆蓋的波長(zhǎng)范圍與塑料閃爍體發(fā)光譜的匹配良好，也說(shuō)明了結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性。

為了更好地說(shuō)明透明介質(zhì)層與閃爍體層的折射率差導(dǎo)致的衍射效率下降的程度，我們采用有限時(shí)域差分(FDTD)的方法進(jìn)行了數(shù)據(jù)模擬。圖4顯示了P1、P2和P3消光峰值的強(qiáng)度與折射率差的關(guān)系?？梢钥闯霎?dāng)折射率差增大的時(shí)候消光峰值強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)折射率差值大于0.2時(shí)，其下降的比例超過(guò)約10％，因此我們?cè)O(shè)置的折射率差的范圍是小于0.2。

圖5中顯示了樣品a和樣品b在X射線激發(fā)下的變角度發(fā)光，結(jié)果顯示兩個(gè)樣品都具有顯著的方向性發(fā)射，但與樣品a相比，樣品b展示了更強(qiáng)的發(fā)射強(qiáng)度。充分說(shuō)明了本發(fā)明中透明介質(zhì)層所帶來(lái)的顯著效果。

實(shí)施例2

一種利用周期金屬結(jié)構(gòu)調(diào)控的閃爍體，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括基底層1、鍍?cè)O(shè)在基底層1上表面的透明介質(zhì)層2、布置在透明介質(zhì)層2上的金屬周期陣列結(jié)構(gòu)3以及布置在金屬周期陣列結(jié)構(gòu)3上的塑料閃爍體4。

透明介質(zhì)層2為在塑料閃爍體發(fā)光譜區(qū)間(380-450nm)透明的介質(zhì)層，其折射率n₂與塑料閃爍體的折射率n₁滿足如下關(guān)系：|n₁-n₂|<0.2，其中n₁＝1.55，本例中給的基質(zhì)為聚甲基苯乙烯，因此其折射率為1.55。本實(shí)施例中透明介質(zhì)層的厚度為1μm，其材質(zhì)為CaF₂。

使用的基底層為硅片，金屬周期陣列結(jié)構(gòu)為呈正方形結(jié)構(gòu)周期分布的柱狀金屬銀單元形成的陣列，相鄰金屬單元之間的距離為280nm，金屬單元的直徑為相鄰金屬單元之間的距離的0.5，金屬單元的高度為80nm。

塑料閃爍體為摻雜有發(fā)光劑和/或移波劑的塑料基質(zhì)，覆蓋在金屬周期陣列結(jié)構(gòu)上，高度為1微米，本實(shí)施例中采用的塑料基質(zhì)為聚甲基苯乙烯，發(fā)光劑為對(duì)聯(lián)三苯，移波劑為POPOP(C₂₀H₁₄N₂O₂)。

實(shí)施例3

一種利用周期金屬結(jié)構(gòu)調(diào)控的閃爍體，包括基底層、鍍?cè)O(shè)在基底層上表面的透明介質(zhì)層、布置在透明介質(zhì)層上的金屬周期陣列結(jié)構(gòu)以及布置在金屬周期陣列結(jié)構(gòu)上的塑料閃爍體。

透明介質(zhì)層為在塑料閃爍體發(fā)光譜區(qū)間(380-450nm)透明的介質(zhì)層，其折射率n₂與塑料閃爍體的折射率n₁滿足如下關(guān)系：|n₁-n₂|<0.2，其中n₁＝1.49，聚甲基丙烯酸甲酯的折射率為1.49。本實(shí)施例中透明介質(zhì)層的厚度為1.5μm，其材質(zhì)為BaF₂。

使用的基底層為硅片，金屬周期陣列結(jié)構(gòu)為呈正方形結(jié)構(gòu)周期分布的柱狀金屬銀單元形成的陣列，相鄰金屬單元之間的距離為300nm，金屬單元的直徑為相鄰金屬單元之間的距離的0.4，金屬單元的高度為90nm。

塑料閃爍體為摻雜有發(fā)光劑和/或移波劑的塑料基質(zhì)，覆蓋在金屬周期陣列結(jié)構(gòu)上，高度為2微米，本實(shí)施例中采用的塑料基質(zhì)為聚甲基丙烯酸甲酯，發(fā)光劑為對(duì)聯(lián)三苯，移波劑為POPOP(C₂₀H₁₄N₂O₂)。

實(shí)施例4

一種利用周期金屬結(jié)構(gòu)調(diào)控的閃爍體，包括基底層、鍍?cè)O(shè)在基底層上表面的透明介質(zhì)層、布置在透明介質(zhì)層上的金屬周期陣列結(jié)構(gòu)以及布置在金屬周期陣列結(jié)構(gòu)上的塑料閃爍體。

透明介質(zhì)層為在塑料閃爍體發(fā)光譜區(qū)間(380-450nm)透明的介質(zhì)層，其折射率n₂與塑料閃爍體的折射率n₁滿足如下關(guān)系：|n₁-n₂|<0.2，其中n₁＝1.59，聚苯乙烯的折射率為1.59。本實(shí)施例中透明介質(zhì)層的厚度為2μm，其材質(zhì)為Al₂O₃。

使用的基底層為表面帶有氧化層的硅片，金屬周期陣列結(jié)構(gòu)為呈三角形結(jié)構(gòu)周期分布的柱狀金屬銀單元形成的陣列，相鄰金屬單元之間的距離為320nm，金屬單元的直徑為相鄰金屬單元之間的距離的0.5，金屬單元的高度為100nm。

塑料閃爍體為摻雜有發(fā)光劑和/或移波劑的塑料基質(zhì)，覆蓋在金屬周期陣列結(jié)構(gòu)上，高度為3微米，本實(shí)施例中采用的塑料基質(zhì)為聚苯乙烯，發(fā)光劑為PBD(C₂₀H₁₄N₂O)，移波劑為BBO(C₂₄H₁₈NO)。