在碳离子改性的不同类型α–Al?O?中的可调谐光发射：缺陷化学与发光机制

《Journal of Alloys and Compounds Communications》：Tunable Optical Emission in Carbon-Ion modified various types of α–Al?O?: Defect Chemistry and Luminescence Mechanisms

碳离子注入调控α-Al?O?晶格缺陷及发光特性研究。通过500keV碳离子辐照微晶与纳米晶Al?O?（SALO、PCALO、SG-ALO及商用Al?O?），系统分析不同植入剂量（1×1013-6.25×101? cm?2）引起的晶格畸变（XRD显示晶粒尺寸18-120nm）、表面碳富集（SEM/EDS）及缺陷态（F/F?中心及碳诱导态）相关发光特性（PL:380-503nm；OSL/TL：深陷阱主导，抗 fading）。纳米晶SALO:C在2.5×101? cm?2植入时OSL灵敏度最优，质子辐照（250keV）下陷阱重构导致OSL峰值位移，且灵敏度仅为β辐照的0.3倍。SRIM模拟显示缺陷分布深度达700nm，TA-OSL证实缺陷热释放特性受温度（250℃）调控。研究成果为辐射检测材料设计提供新思路。

　　

Mini Agarwal|S. Kumar

比哈尔邦帕特纳市古尔扎尔巴格政府理工学院，科学与技术及技术教育系，邮编800007

摘要

我们系统研究了通过500 keV碳离子注入微晶和纳米晶氧化铝基底（SALO、PCALO、SG-ALO和商业ALO）制备的掺碳α-Al?O?（ALO:C）材料。注入剂量范围为1×1013至6.25×101? cm?2，用于调控缺陷结构。所得材料通过XRD、SEM/EDS、光致发光（PL）、连续波OSL和OSL后的热致发光（TL）进行了表征。XRD结果显示晶格畸变和晶粒尺寸随注入剂量变化，约为18–120 nm；SEM/EDS表明表面发生显著改性，碳在晶界处积累，其中SALO在2.5×101? cm?2剂量下的均匀性最佳。PL光谱显示在约380、420和503 nm处有与F/F?中心及碳诱导态相关的发光峰。采用0.5 Gy的β射线作为探针比较不同注入剂量下的发光行为，发现纳米晶SALO:C在2.5×101? cm?2剂量下的OSL灵敏度最高。衰减研究表明短期衰减较小（约7%），这与深层陷阱占主导地位一致。质子辐照（250 keV）进一步揭示了陷阱结构的剂量依赖性变化，OSL峰值在1×101? cm?2剂量时最高，而TL峰值在高剂量下向深层陷阱偏移；质子对OSL的灵敏度约为β射线的0.3倍。SRIM分析显示缺陷分布深度可达约700 nm。热辅助OSL（TA-OSL）测量表明，在SALO:C中深层陷阱的释放受温度影响，在250 °C时增强，证实浅层陷阱的贡献可以忽略不计，陷阱动态受温度调控。这些结果表明碳离子注入能够实现氧化铝中的可控缺陷工程，从而调控发光特性，适用于先进的辐射传感应用。

引言

由于医学成像、放射治疗和空间研究等领域应用的增加，开发可靠的发光材料用于辐射剂量测量变得尤为重要[1]、[2]。光致发光（OSL）是一种特别有吸引力的技术，因为它具有快速读出、高灵敏度、可重复使用以及使用蓝光LED（约470 nm）进行光刺激的优点。相比之下，热致发光（TL）需要250°C至约700 °C的热激发。这两种方法已广泛应用于个人和环境剂量测量，适用于β射线、高LET质子和重离子辐射。注入过程（用于基底晶格的掺杂）通过核能和电子能转移改变基底晶格，产生氧空位和晶格畸变，从而提高发光效率。过去十年中，掺碳α–Al?O?（Al?O?:C）因其优异性能而受到越来越多的关注，包括低有效原子序数（Zeff）、最小的衰减、可重复性、宽线性剂量响应、高灵敏度和良好的热化学稳定性[3]。发光机制由缺陷相关中心控制，如F中心（两个电子捕获在氧空位）和F?中心（一个电子捕获在氧空位），这些中心由C2?替代Al3?或C??替代O2?形成。这些中心分别在约380 nm（F中心复合）和约330 nm（与F?陷阱相关的紫外发射）处产生发光峰。Al?O?:C已经是成熟的OSL剂量计，而BeO最近也受到了关注[4]、[5]、[6]。碳离子的质量较轻，且在注入过程中能有效传递电子能量，因此特别适合氧化铝晶格的缺陷工程。纳米材料的进步进一步扩展了ALO在剂量测量中的潜力。纳米晶形式表现出独特的电子和表面效应，包括更高的表面积与体积比、更高的表面势垒能以及即使在kGy剂量范围内也能保持良好的线性发光响应[7]。虽然微晶荧光体在低剂量下通常具有更强的发光强度，但纳米荧光体具有更高的稳定性、更低的饱和度和可调的发光峰。随着重离子治疗在晚期癌症治疗中的广泛应用以及对空间辐射监测的需求增加，这项研究的重要性更加突出[8]、[9]。与光子相比，质子和重离子束具有更好的剂量定位能力，可减少对健康组织的附带损伤。因此，可靠的纳米剂量测量材料对于治疗和空间应用至关重要。在本研究中，我们系统研究了通过离子注入掺碳的微晶和纳米晶氧化铝（SALO、PCALO、SGALO和商业高纯度ALO）。通过XRD和PL进行了全面表征，以建立结构变化、缺陷化学性质和可调光学发射之间的关联。这些发现不仅加深了对Al?O?:C中缺陷介导的发光机制的理解，还展示了其作为下一代剂量测量材料的潜力。

部分摘录

X射线衍射（XRD）

使用德国Bruker公司的D8 Advance衍射仪记录X射线衍射图谱，采用Cu-Kα辐射（λ = 1.5406 ?）。衍射扫描范围为20°–80°，步长为0.2°，扫描速率为0.5 s/步。这些测量用于确定晶体相、结构变化和注入引起的改性。

扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱（SEM/EDS）：表面形态和元素分析

XRD结构分析

首先使用X射线衍射（XRD）研究了500 keV C离子注入后各种Al?O?基底中的结构变化。图1(a)显示了原始Al?O?和在2.5 × 101? cm?2（约0.04%）剂量下注入的微晶Al?O?:C的衍射图谱。2θ = 32.5°、52.6°、58°和69.7°处的尖锐反射分别对应于（222）、（024）、（116）和（300）晶面，表明晶体结构清晰。平均晶粒尺寸对应于（300）晶面

结论

碳离子注入是一种有效的方法，可以调控微晶和纳米晶基底中α-Al?O?的缺陷种群和发光行为。我们主要获得了以下结果：注入导致可测量的晶格畸变和尺寸依赖的结构变化（XRD），以及剂量依赖的表面特征和碳聚集（SEM/EDS）。注入产生的F/F?中心和碳相关中心产生特征性的PL发射（约380–503 nm）

致谢

作者衷心感谢新德里AIIMS BRAIRCH医学物理部门负责人Pratik Kumar教授（博士）提供的实验室设施和宝贵支持。特别感谢Karan Verma先生的技术协助。作者也非常感谢新德里的Inter University Accelerator Centre（IUAC）在利用LEIBF和SEM设施方面给予的支持。

利益声明

“作者声明本手稿呈现的是原创且未发表的工作”。报告中提到的碳离子