CN105068106A

CN105068106A - 闪烁体光子晶体结构及其制作方法

Info

Publication number: CN105068106A
Application number: CN201510386257.XA
Authority: CN
Inventors: 刘金良; 刘波; 朱智超; 陈亮; 欧阳晓平; 程传伟; 胡静
Original assignee: Tongji University; Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Tongji University; Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2015-07-03
Filing date: 2015-07-03
Publication date: 2015-11-18

Abstract

本发明公开了一种闪烁体光子晶体结构及其制作方法，用于解决现有闪烁体光输出效率低的技术问题。技术方案是闪烁体光子晶体结构包括闪烁体和光子晶体两部分，光子晶体由一系列成六角型或四边型周期性排列光子晶体微结构构成。光子晶体制作方法包括阳模板制作、阴模板制作、聚合物涂覆及固化、脱模处理等步骤。由于在闪烁体表面制作一层尺度与闪烁体发光波长相当的周期排布光子晶体微结构，通过光子晶体微结构组成的光子晶体对闪烁体荧光的调制作用，降低闪烁体荧光在界面处的全反射和闪烁体内部光的多次散射，使闪烁荧光尽快从闪烁体表面出射出来，提高了闪烁体光输效率。

Description

闪烁体光子晶体结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种闪烁体，特别是涉及一种闪烁体光子晶体结构。本发明还涉及上述闪烁体光子晶体结构的制作方法。

背景技术

在辐射探测领域，闪烁体是指与射线或粒子等辐射作用后能够产生荧光的物质。通俗的讲，闪烁体功能就是将辐射沉积在其中的能量转换为荧光光子释放出来。闪烁探测器一般由闪烁体和光电探测器构成，其中闪烁体使得辐射沉积的能量转换为荧光光子，光电探测器探测闪烁体荧光并转化为电信号输出，从而实现对辐射的探测。从光电探测器输出的电信号中可以获得辐射场粒子的种类、时间、能量、位置、动量等信息。因此，闪烁探测器广泛应用于地面核辐射探测、空间射线探测和粒子物理及核物理实验研究等。

闪烁体的光输出对闪烁探测器的能量分辨、本征探测效率等具有决定性影响。高光输出的闪烁体一直是国内外核辐射探测领域的重要追求目标之一。闪烁体的光输出由闪烁体本征光产额和光提取效率共同决定。目前使用的大部分商用闪烁体本征光产额已经接近其本征发光效率的理论极限，通过生长工艺提高闪烁体本征光产额变得越来越困难。然而，另一方面实际应用中的光提取效率并不高。这是因为大部分闪烁体的折射率较大，其折射率系数通常介于1.4～3.0之间，光从闪烁体内向空气或其他介质传输时的全反射角较小，导致大部分闪烁荧光被限制在闪烁体内无法直接出射。以折射率为2.0的闪烁体为例，其与空气界面上的全反射角为30°，理论计算表明只有13％的闪烁光能够自由地从闪烁体出射到空气中，其余的闪烁荧光则经过多次反射后被闪烁体吸收或从闪烁体边缘出射。这种多次反射的过程降低了闪烁体的光输出，是限制闪烁体能量分辨、时间性能和闪烁体应用于低能射线探测的重要因素。

可以利用光子晶体结构来调节和操控闪烁体的荧光光子改变闪烁体发光参数。光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制类似，光子晶体能够调制具有相应波长的电磁波。当发射光沿着大于全反射角的方向到达闪烁体-空气界面时，在界面处会发生全反射，这限制了光的出射。发生全反射时，电磁场在界面的空气一侧大约一个波长的高度处会形成非传播形式的能量分布，即衰逝场。如果在该区域布置了一层具有周期结构的光子晶体，衰逝场与光子晶体耦合作用，当光子晶体的几何参数满足一定条件时，这些非传播形式的电磁场将会被光子晶体衍射，使其成为传播形式的电磁场即光子发射，从而实现了对光的提取。

文献1“Broadbandlightoutputenhancementforscintillatorusingwhispering-gallerymodesinnanospheres.Phys.StatusSolidiA.2014；211(7),1583～1588”公开了一种采用自组装方法在闪烁体表面制备的微球阵列构成的光子晶体结构，并申请了国家发明专利(一种利用表面光子结构实现的高光提取效率闪烁体”(中国专利，申请号201410496266.X)。该方法通过漂浮在去离子水表面的聚苯乙烯微球在分子力作用下，自组装形成六角形周期性排列的光子晶体结构。这些光子晶体结构可以提高闪烁体光提取效率。由于自组装方法制备的光子晶体结构在宏观面积上是由许多具有不同取向的局域筹构成，这使得该方法制作的光子晶体结构发光对方向的依赖不如理论仿真结果完美，限制了该类光子晶体的应用。

纳米压印是近十年来半导体领域新兴的一种微纳结构制作技术。文献2“一种利用纳米压印技术快速制备蓝宝石图形衬底的方法”(中国专利，申请号201210483894.5)中，利用纳米压印技术制作了蓝宝石衬底的纳米尺度图形；文献3“一种基于纳米压印制备GaN基光子晶体LED的方法”(中国专利，申请号201110087571.X)中，制备了GaN基的光子晶体LED。也有不少利用纳米压印技术在半导体上制作光子晶体的装置的专利，如文献4“用于蓝宝石衬底图形化的纳米压印装置及方法”(中国专利，申请号20110049910.X)、文献5“一种整片圆纳米压印光刻机”(中国专利，申请号201110266251.0)、文献6“整片晶圆纳米压印的装置”(中国专利，申请号201220673702.3)等。在以上文献中，其纳米压印技术最后都是在半导体上制作微纳结构，且光刻胶(一种有机聚合物)在其中主要发挥光刻过程的掩膜板作用。事实上，类似于光刻胶的这样的透明状有机聚合物通过纳米压印技术可直接形成周期性分布的结构，作为光子晶体使用。

发明内容

为了克服现有闪烁体光输出效率低的不足，本发明提供一种闪烁体光子晶体结构。该闪烁体光子晶体结构包括闪烁体和光子晶体两部分，光子晶体由一系列成六角型或四边型周期性排列光子晶体微结构构成。光子晶体制作方法包括阳模板制作、阴模板制作、聚合物涂覆及固化、脱模处理等步骤。由于在闪烁体表面制作一层尺度与闪烁体发光波长相当的周期排布光子晶体微结构，通过光子晶体微结构组成的光子晶体对闪烁体荧光的调制作用，降低闪烁体荧光在界面处的全反射和闪烁体内部光的多次散射，使闪烁荧光尽快从闪烁体表面出射出来，提高了闪烁体光输效率。

本发明还提供上述闪烁体光子晶体结构的制作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种闪烁体光子晶体结构，其特点是包括闪烁体2及光子晶体1，光子晶体1紧密贴合于闪烁体2的表面，光子晶体1由呈六角形或四边形周期排列的光子晶体微结构101组成，光子晶体1由透明的有机聚合物材料通过紫外光照、加热或辐照方式固化而成。

所述光子晶体微结构101是圆柱型、锥状、长方体型或多面体型的任一种。

所述光子晶体微结构101间距为200～2000nm，高度为50～800nm。

所述光子晶体微结构101是圆柱型时，其直径为100～1000nm。

所述光子晶体微结构101是锥状时，其最大边长为100～1000nm。

所述光子晶体微结构101是长方体型时，其宽度和长度为100～1000nm。

所述光子晶体微结构101是多面体型时，其边长为100～1000nm。

一种上述闪烁体光子晶体结构的制作方法，其特点是采用以下步骤：

步骤一、依据闪烁体2发射的荧光与介质的电磁作用规律，获得与闪烁体2发光特性最优匹配的光子晶体微结构101的尺寸，并在基片上制作与计算的光子晶体微结构101尺寸相同的正向微结构301，具有正向微结构301的基片即为阳模板3。

步骤二、在阳模板3有正向微结构301的一面表面浇注一层聚二甲基硅氧烷，聚二甲基硅氧烷将自然展开并充满正向微结构301的间隙，等待聚二甲基硅氧烷固化后将其与阳模板3分开，得到一个聚二甲基硅氧烷制成的、一面有反式微结构401的阴模板4。

步骤三、在闪烁体2表面旋涂一层透明的有机聚合物5，将阴模板4带有反式微结构401的一面覆于有机聚合物5之上，对阴模板4施加压力使有机聚合物5充满反式微结构401的间隙，利用紫外光照、辐照或加热方法使有机聚合物5逐渐固化成型。

步骤四、保持有机聚合物5与闪烁体2表面紧密贴合，并将阴模板4与固化后的有机聚合物5分离，填充进入反式微结构401间隙的有机聚合物5固化即形成光子晶体微结构101，固化后的整个有机聚合物5即为光子晶体1。

所述制作阳模板3的基片，其表面粗糙度小于1000nm。

所述阳模板3上浇筑的聚二甲基硅氧烷厚度不小于阳模板3的正向微结构301高度；闪烁体2表面旋涂的有机聚合物5厚度不大于阳模板3的正向微结构301的高度。

本发明的有益效果是：该闪烁体光子晶体结构包括闪烁体和光子晶体两部分，光子晶体由一系列成六角型或四边型周期性排列光子晶体微结构构成。光子晶体制作方法包括阳模板制作、阴模板制作、聚合物涂覆及固化、脱模处理等步骤。由于在闪烁体表面制作一层尺度与闪烁体发光波长相当的周期排布光子晶体微结构，通过光子晶体微结构组成的光子晶体对闪烁体荧光的调制作用，降低闪烁体荧光在界面处的全反射和闪烁体内部光的多次散射，使闪烁荧光尽快从闪烁体表面出射出来，提高了闪烁体光输效率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明闪烁体光子晶体结构的示意图。

图2是本发明闪烁体光子晶体结构制作方法的流程图。

图3是本发明方法制作的闪烁体光子晶体结构的扫描电子显微照片。

图4是表面有无光子晶体结构的闪烁体在紫外光激发下的光输出对比图。

图5是表面有无光子晶体结构的闪烁体在X射线激发下的光输出对比图。

图中，1-光子晶体，101-光子晶体微结构，2-闪烁体，3-阳模板，301-正向微结构，4-阴模板，401-反式微结构，5-有机聚合物。

具体实施方式

以下实施例参照图1-5。

实施例1。本发明闪烁体光子晶体结构包括闪烁体2及光子晶体1，光子晶体1紧密贴合于闪烁体2的表面，光子晶体1由呈六角形或四边形周期排列的光子晶体微结构101组成，单个光子晶体微结构101为柱状、锥状、长方体形或多面体形状；光子晶体微结构101间距为200～2000nm，高度为50～800nm，圆柱型的光子晶体微结构101直径为100～1000nm、锥状的光子晶体微结构101的最大边长为100～1000nm、长方体型的光子晶体微结构101宽度和长度为100～1000nm、多面体型的光子晶体微结构101边长为100～1000nm；光子晶体1由透明的有机聚合物材料通过紫外光照、加热或辐照等方式固化而成；光子晶体微结构101最优尺寸依据闪烁体2发光特性和有机聚合物材料特性后优化计算后给出。

实施例2。具体步骤依据箭头指示顺序按照(a)～(f)逐步进行。第一步，根据闪烁体2的材料特性和发光特性设计光子晶体微结构101的最后尺寸，在基片上制作与光子晶体微结构101尺寸相同、排布规律完全相同的正向微结构301，形成光子的阳模板3；第二步，在阳模板3有正向微结构301的一面涂覆一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚二甲基硅氧烷自然展开并填满正向微结构301之间的缝隙，聚二甲基硅氧烷厚度大于正向微结构301的高度；第三步，待聚二甲基硅氧烷自然固化后形成阴模板4，填充正向微结构301间隙的聚二甲基硅氧烷自然固化后形成反式微结构401，整个二甲基硅氧烷固化后即成为阴模板4，将阴模板4与阳模板3分开；第四步，在闪烁体2表面涂覆一层透明的有机聚合物5，有机聚合物5的厚度大于正向微结构301的高度；第五步，将阴模板4有反式微结构401的一面覆于有机聚合物5上，并对阴模板4均匀施加压力使有机聚合物5充满反式微结构401的间隙，利用紫外光照或加热或射线辐照方法使有机聚合物5固化成型；第六步，保持有机聚合物5与闪烁体2紧密贴合，将阴模板4与有机聚合物5分离，充满反式微结构401间隙的有机聚合物5固化后即为光子晶体微结构101，整个固化后的有机聚合物5就是制作的光子晶体1。

制作阳模板3的基片的表面粗糙度小于1000nm。

阳模板3上浇注的聚二甲基硅氧烷厚度不小于阳模板3的正向微结构301高度；闪烁体2表面旋涂的有机聚合物5厚度不大于阳模板3的正向微结构301的高度。

实施例3。闪烁体2为美国ELJEN公司生产的直径3cm、厚度1mm塑料闪烁材料EJ212；光子晶体1由成六角形周期排列的圆柱状光子晶体微结构101组成，相邻圆柱状光子晶体微结构101间距600nm，单个光子晶体微结构101直径300nm、高度310nm；阳模板3的基片材料为半导体硅，其上的正向微结构301采用电子束刻蚀工艺制成。阴模板4采用涂覆在阳模板3表面的聚二甲基硅氧烷自然固化形成；在闪烁体2表面旋涂的有机聚合物5为英国EMResistLtd公司出品的PMMA光刻胶；将阴模板4有反式微结构401的一面压于有机聚合物5之上，对阴模板4施加压力，并采用加热的方式使有机聚合物5固化，固化时的工作温度为250℃，固化工作时间为10min；将阴模板4与固化后的有机聚合物5(PMMA光刻胶)分离，并保持有机聚合物5紧贴闪烁体2表面，原来填充入反式微结构401间隙的有机聚合物5固化后形成了光子晶体微结构101，整个有机聚合物即为光子晶体1。从图3可以看出，闪烁体表面呈光子晶体结构。

从图4可以看出，表面有光子晶体的闪烁体所对应的闪烁体2及其光子晶体1，无表面光子晶体结构闪烁体是指同一批次出产、同样尺寸的塑料闪烁材料EJ212。以闪烁材料EJ212表面的法线为中心线，0°～60°范围内实验结果表明表面有光子晶体1的闪烁体2表面光输出得到显著增强，0°方向即法线方向性光输出增强了52％，在20°的方向上光输出增加最大，达到105％。

从图5可以看出，光子晶体1与闪烁体2与图4中一致。以闪烁体2法线为基准，实验结果表明闪烁体2在-90°～90°范围内光输出都有显著的增强，0°方向即法线方向性发光增强了60％，在±20°的发射方向上光输出增强最大，达到105％。

实施例4。闪烁体2为上海硅酸盐研究所生产的直径2cm、厚度2mm硅酸钇无机闪烁材料；光子晶体1由成四边形周期排列的长方体光子晶体微结构101组成，相邻圆柱状光子晶体微结构101间距500nm，单个光子晶体微结构101边长350nm、高度350nm；阳模板3的基片材料为半导体硅，其上的正向微结构301采用电子束刻蚀工艺制成。阴模板4采用涂覆在阳模板3表面的聚二甲基硅氧烷自然固化形成；在闪烁体2表面旋涂的有机聚合物5为英国EMResistLtd公司出品的PMMA光刻胶；将阴模板4有反式微结构401的一面压于有机聚合物5之上，对阴模板4施加压力，并采用紫外光照射的方式使得有机聚合物5固化，紫外光照时间为15min；将阴模板4与固化后的有机聚合物5分离，并保持有机聚合物5紧贴闪烁体2表面，原来填充入反式微结构401间隙的有机聚合物5固化后形成了光子晶体微结构101，整个有机聚合物即为光子晶体1。

该发明的闪烁体表面光子晶体结构及制作方法对于其他种类的固体闪烁体都适用，在此不一一列举具体实施例。

Claims

1.一种闪烁体光子晶体结构，其特征在于：包括闪烁体(2)及光子晶体(1)，光子晶体(1)紧密贴合于闪烁体(2)的表面，光子晶体(1)由呈六角形或四边形周期排列的光子晶体微结构(101)组成，光子晶体(1)由透明的有机聚合物材料通过紫外光照、加热或辐照方式固化而成。

2.根据权利要求1所述的闪烁体光子晶体结构，其特征在于：所述光子晶体微结构(101)是圆柱型、锥状、长方体型或多面体型的任一种。

3.根据权利要求1所述的闪烁体光子晶体结构，其特征在于：所述光子晶体微结构(101)间距为200～2000nm，高度为50～800nm。

4.根据权利要求1所述的闪烁体光子晶体结构，其特征在于：所述光子晶体微结构(101)是圆柱型时，其直径为100～1000nm。

5.根据权利要求1所述的闪烁体光子晶体结构，其特征在于：所述光子晶体微结构(101)是锥状时，其最大边长为100～1000nm。

6.根据权利要求1所述的闪烁体光子晶体结构，其特征在于：所述光子晶体微结构(101)是长方体型时，其宽度和长度为100～1000nm。

7.根据权利要求1所述的闪烁体光子晶体结构，其特征在于：所述光子晶体微结构(101)是多面体型时，其边长为100～1000nm。

8.一种权利要求1所述闪烁体光子晶体结构的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、依据闪烁体(2)发射的荧光与介质的电磁作用规律，获得与闪烁体(2)发光特性最优匹配的光子晶体微结构(101)的尺寸，并在基片上制作与计算的光子晶体微结构(101)尺寸相同的正向微结构(301)，具有正向微结构(301)的基片即为阳模板(3)；

步骤二、在阳模板(3)有正向微结构(301)的一面表面浇注一层聚二甲基硅氧烷，聚二甲基硅氧烷将自然展开并充满正向微结构(301)的间隙，等待聚二甲基硅氧烷固化后将其与阳模板(3)分开，得到一个聚二甲基硅氧烷制成的、一面有反式微结构(401)的阴模板(4)；

步骤三、在闪烁体(2)表面旋涂一层透明的有机聚合物(5)，将阴模板(4)带有反式微结构(401)的一面覆于有机聚合物(5)之上，对阴模板(4)施加压力使有机聚合物(5)充满反式微结构(401)的间隙，利用紫外光照、辐照或加热方法使有机聚合物(5)逐渐固化成型；

步骤四、保持有机聚合物(5)与闪烁体(2)表面紧密贴合，并将阴模板(4)与固化后的有机聚合物(5)分离，填充进入反式微结构(401)间隙的有机聚合物(5)固化即形成光子晶体微结构(101)，固化后的整个有机聚合物(5)即为光子晶体(1)。

9.根据权利要求8所述闪烁体光子晶体结构的制作方法，其特征在于：所述制作阳模板(3)的基片，其表面粗糙度小于1000nm。

10.根据权利要求8所述闪烁体光子晶体结构的制作方法，其特征在于：所述阳模板(3)上浇筑的聚二甲基硅氧烷厚度不小于阳模板(3)的正向微结构(301)高度；闪烁体(2)表面旋涂的有机聚合物(5)厚度不大于阳模板(3)的正向微结构(301)的高度。