上海大学
大学生科技创新实践(二) 文献综述
学 院 专 业 学 号 姓 名 指导教师 日 期
溶胶-凝胶法制备LuAG 薄膜
张小桃 09120154
（上海大学材料学院无机非金属专业）
摘要：溶胶-凝胶法是在不同衬底（单晶硅片、石英等）上制备LuAG 薄膜，利用乙醇作为分散剂，添加柠檬酸作胶凝胶，涂膜采用旋涂法，薄膜通过二次涂膜而形成。溶胶-凝胶工艺过程简单，无需任何真空条件和复杂设备。薄膜制备期间，可以添加一些稀土元素，如Lu,Yb, Tb, Eu–Y 等，而制成能有效吸收高能射线（X 、γ射线）或高能粒子并发出紫外或可见光的功能闪烁材料。它在高能物理、医学诊断（X-CT 和PET 等）以及工业无损探测等方面有着重要的应用。本文综述了用凝胶溶胶法制备LuAG 薄膜的具体方法，从原料的准备出发，介绍了制备的工艺流程，并对Lu 掺杂的LuAG 薄膜闪烁材料的性能作了相关介绍。最后，对这个工艺过程总结了自己的一些认识和理解。
关键词： LuAG 薄膜， 溶胶凝胶法，闪烁材料，高分辨，X 射线成像 Abstract: Sol - gel method is a method that LuAG film prepared on different substrates (monocrystalline silicon, quartz, etc.). The using of ethanol as a dispersing agent, citric acid, gum gel coating using spin-coating film through the second coatingmembrane and formation. Sol - gel process is simple, without any vacuum conditions and complex equipment. During the film preparation, you can add some of the rare earth elements, such as Lu, Yb and Tb, of Eu-Y, and made able to effectively absorb high-energy rays (X of γ-rays) or high-energy particles and issued a UV or visible function of scintillation materials. It has important applications in high energy physics, medical diagnostics (X-CT and PET, etc.) and industrial nondestructive detection. This article reviews the LuAG film prepared with gel sol method, starting from raw material preparation, the preparation process, the performance of scintillation materials and Lu-doped LuAG film made related presentations. Finally, I summarize up knowledge and understanding for this process. Key words：LuAG films, sol-gel method, scintillation materials, high-resolution X-ray imaging
1． 引言
Lu 3Al 5O 12(LuAG)具有立方晶体结构(立方晶系，空间群Ia3d) ，密度高(6.73 3g/cm) ，是目前PET 上所用材料Bi 4Ge 3O 12(BGO)的94％，熔点高（2010℃），机械性能好，可在长期辐射条件下保持稳定的光学和物化性能，是一种优良的闪烁基质
3+材料。由于Ce 允许的5d 4f 跃迁，使其具有几十个纳秒的快速衰减时间，500～550 nm 左右的发射波长在Si 光电二极管的高敏感区域范围内，满足于闪烁体性能
要求，是一种很有应用前景的闪烁材料。
闪烁体材料是一种能有效吸收高能射线或高能粒子并发出紫外或可见光的功能材料，闪烁体在高能物理、医学诊断以及工业无损探测等方面起着重要作用。在医学诊断系统中，闪烁体是构成诊断设备中显微成像闪烁屏的关键。随x 射线成像技术在生物学、放射医学等医药学领域的广泛应用，具有微米级更高空间分辨率闪烁薄膜的研究备受关注。显像技术要求闪烁体具有光产额高，衰减时间短且余辉小，对x 射线的吸收系数大(高密度和大的有效原子数) ，发光波长与现有探测元件匹配等优点。
关于铈离子掺杂铝酸镥材料的研究已经有一些报道，主要是集中在粉体、陶瓷和单晶方面，而多晶薄膜的研究还未见报到。Lu 3Al 5O 12的单晶材料通常采用Czochralski 法生长，该方法的制备工艺复杂苛刻，成本高，稀土离子掺杂的均匀性很难控制，而且很难生长大尺寸的单晶。2007年，Yu. Zorenko 等人利用液相外延法（PLE ）制备了Lu 3Al 5O 12:Ce(LuAG:Ce)单晶薄膜，后来在YAG 衬底上用同样的方法制备出了R 3Al 5O 12(R=Lu,Yb, Tb, Eu–Y) 单晶薄膜，但这种方法其生长温度较高，掺杂离子分布不均及始终存在单晶薄膜与衬底晶格失配的问题等都影响薄膜的质量，使其在实际应用中受到限制，并且这种制备方法不仅成本高且工艺复杂。
与闪烁晶体材料相比，制备薄膜闪烁体所要求的设备较为简单，可以大面积生长，便于加工。尤其对于多组分的材料，用化学方法(如溶胶-凝胶法) 制备的薄膜中掺杂的离子分布可达亚微米甚至分子级水平。而且闪烁薄膜对光几乎不散射，能有效提高成像分辨率。随着薄膜材料制备方法的不断进步和创新，薄膜闪烁材料越来越显现出其独特的优点。因此，研究能够广泛应用成医学成像等领域中的高性能闪烁薄膜材料成为当前重要的研究主向之一。
2． 制备工艺
溶胶凝胶（Sol-gel ）法是制备材料方法中新兴起的一种湿化学方法。它的基本原理是：以金属醇盐或其它金属无机盐的溶液作为前躯体溶液，在低温下通过溶液中的水解、聚合等化学反应，首先生成溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，然后经过热处理或减压干燥，在较低温度下制备出各种无机材料或复合材料的方法。它可以根据需要调节各个过程中的影响因素，可以获得各种具有特殊性能或其它方法难以合成的材料。可见根据溶胶凝胶法的原理，可将溶胶-凝胶法分为以下几个过程：（1）溶胶制备过程；（2）凝胶形成过程；（3）陈化过程；
（4）干燥过程；（5）热处理过程。
利用溶胶-凝胶法在基片上沉淀复合氧化物薄膜的方法有浸涂、旋涂和喷涂等。(1) 旋转涂敷法是在旋转涂敷机上进行的，将基片水平固定于转台，然后将所要涂敷的溶液滴在基片的中央，由旋转运动产生的离心力使溶液由圆心向周边
扩展形成均匀的薄膜，在一定条件下形成凝胶膜，经过干燥和焙烧得到氧化物薄膜。(2) 浸涂法是将整个清洗干净的基板浸入溶液中，然后以一定速率平稳缓慢的提拉出来。提拉涂敷的工艺应用范围很广，对于大型涂件来说更为经济。(3) 喷涂法主要由表面准备、加热、喷涂三个步骤组成。先将基片清洗干净放入加热炉内，通常加热到300-5000C ，然后使用专用的喷枪以一定的压力和速度将溶胶喷到热的基片表面，经自然干燥和热处理后即形成凝胶膜。
具体方案如下：
（1）LuAG 前驱体溶胶配制：
以Al(NO3) 3.9H 2O(99.99%)，Lu 2O 3(99.99%)为原料，选用乙醇作为分散剂、柠檬酸作螯合剂，聚乙二醇(PEG)作交联剂，并添加适当的去离子水，用不同乙醇、柠檬酸和聚乙二醇的配比，通过对所制溶胶胶化学性能产生不同的影响，摸索出一个较合适的配比配成稀土离子掺杂的LuAG 前驱溶胶。然后在80℃的温度下搅拌形成溶胶凝胶。如果想做成掺杂稀土元素的LuAG ，则也在配料的时候添加适量的稀土元素，稀土元素会取代LuAG 中Lu 的位置，而形成掺杂薄膜
图1 LuAG的制备工艺流程
Fig.1 The preparation process of the LuAG
（2）LuAG 前驱体溶胶涂覆成薄膜：
以单晶硅或石英等做为衬底，在110℃的温度下采用不同工艺(旋涂法、浸[1]
渍法) 涂覆得到缺陷少、表面均匀性和平整度较好的LuAG 前驱体薄膜。通过反复旋涂，得到一定厚度的薄膜，分析不同溶胶的涂覆成膜性能，优化溶胶配制工艺。
（3）LuAG 前驱薄膜的锻烧：
将上面得到的稀土发光离子掺杂的LuAG 前驱体薄膜在气氛保护条件下，通过改变升温速度、保温时间或外加压力等，找到最佳的烧结制度，制备得到发光强度较高、闪烁性能优异的LuAG 闪烁薄膜材料。一般锻烧温度选在800℃—1100℃煅烧。
（4）LuAG 薄膜发光性能的表征：
对锻烧得到的稀土离子离子掺杂的LuAG 薄膜进行详细的发光性能和纤维结构测试表征。主要涉及到荧光发光光谱、X-射线激发发射光谱、荧光寿命谱和光产额光谱性能表征手段及XRD 、扫描电镜、透射电镜等显微结构分析。
（5） 通过优化工艺条件，调整参数，希望实现用溶胶-凝胶结合旋涂法（或浸涂法）工艺制得室温LuAG 稀土掺杂闪烁薄膜。
3． Lu 掺杂LuAG 薄膜闪烁材料
闪烁材料是一种能有效吸收高能射线（X 、γ射线）或高能粒子并发出紫外或可见光的功能材料，它在高能物理、医学诊断（X-CT 和PET 等）以及工业无损探测等方面有着重要的应用。
图2 X-CT 显微结构成像测得昆虫的膝盖骨的图像[2]
Fig.1 Imaging of a insect’s knee by the X-CT microstructure imaging
当前在上述各个领域应用的闪烁材料主要有单晶、多晶陶瓷块体和薄膜几
种形态。相对于单晶或多晶透明陶瓷块体闪烁材料而言，闪烁薄膜材料的制备工艺相对简单，耗时短，成本较低，可以在大大低于材料熔点的温度下完成闪烁薄膜材料的制备和成型，并且可以大面积生长，便于加工；同时能够根据器件应用要求较方便地实现不同掺杂离子组份设计和高浓度离子的均匀掺杂，避免由于单晶体生长工艺限制所造成的掺杂浓度低、分布不均匀的状况，这对无机闪烁材料的闪烁性能提高至关重要。另外，通过在X-CT 的闪烁荧光屏上使用闪烁薄膜材料，可以较好地克服用荧光粉或多晶透明陶瓷块体闪烁材料在荧光屏上造成的对X 射线的弱吸收，反射、散射和光输出不高的缺点。由于闪烁薄膜材料在X-CT 成像技术越来越显现出其独特的优点，因此研制高分辨成像荧光屏用高性能闪烁薄膜材料成为了闪烁探测材料当前重要的研究热点之一。
为了进一步提高X-CT 显微结构成像系统分辨率的问题，要求所使用的闪烁材料应具有发光效率高，高密度，对X 射线的吸收系数大，发光波长与CCD 探测元件的高效率响应范围（500～700nm ）匹配等特性，因此在二十世纪九十年代末Andreas Koch等提出可用高密度闪烁材料体系来制备薄膜以改善对X 射线吸收能力和提高成像系统的分辨率。稀土元素镥（Lu ，原子序数为71）作为自然界最重的稀土元素，备受研究人员的关注。近年来，多种镥基氧化物闪烁材料体系，如Lu 2O 3:Re、 LuAlO 3:Re (LuAP)、 LuAG 、LSO 和 Lu 2Si 2O 7:Re (LSP)等（Re 代表稀土元素）因具有优异的物理和化学性能而成为当前研究的热点。其中LuAG 具有立方晶体结构（立方晶系, 空间群Ia3d ）、密度高、熔点高（2010℃）、机械性能好和相当优异的闪烁性能，并可在长期辐射条件下保持稳定的物化和光学性能，因此使其有望用于上述现代的医疗成像设备上[5]。
图3 新一代探测器的基本结构
Fig.3 Basic configuration of a new-style detector
目前，LuAG 的块体闪烁材料（单晶和多晶陶瓷）通常是用晶体生长方法（如Czochralski 法）和传统的陶瓷制备工艺来制得, 然而由于LuAG 的熔点高
（2010℃），因此这些形态材料的制备工艺复杂苛刻, 成本高, 稀土离子的掺杂均匀性较难控制, 而且生长大尺寸的高质量单晶或多晶陶瓷块体材料难度大，性能也不稳定，从而限制了其优良性能的发挥和应用范围。
根据前述薄膜材料自身所具有的一些优越特性，人们对LuAG 薄膜材料进行[2]
了探索研究报道。目前针对LuAG 薄膜材料制备主要采用液相外延法、气相法和溅射法等。气相法和溅射法通常需要较高的反应温度，而且受炉体的限制，产量较低，不易批量生产。液相外延法虽然使其生长温度在一定程度上有所降低，但在制备过程中掺杂离子分布不均匀及存在单晶薄膜与衬底晶格失配的问题等都将影响薄膜的光学质量，使其在实际应用中受到限制。所以，寻找制备手段相对简单，生长条件较易控制，易于掺杂，并可大面积生长LuAG 薄膜材料的方法就显得有特别意义。据文献报道可用溶胶－凝胶法制备稀土离子掺杂的LuAG 薄膜，降低该材料的晶化温度。因此本研究项目将采用简便、可行的溶胶-凝胶工艺技术在不同衬底（单晶硅片、石英等）上制备发光性能可调节的铈离子掺杂LuAG 薄膜，通过不同浓度的铈离子掺杂来调节LuAG 薄膜的发光强度，结合对薄膜的晶相结构、显微形貌结构和光学性能进行的测试、表征研究，获得综合闪烁性能优异的LuAG(Ce)闪烁薄膜，为镥基高密度闪烁薄膜应用于高分辨率荧光屏提供科学基础和技术积累。
图4 Ce3+ 离子掺杂的闪烁体性能[4]
Fig.4 The scintillator performance of Ce 3+ doped
4. 总结与展望
纵观LuAG 薄膜的研究现状和进展，人们清楚地认识到闪烁薄膜材料在高分辨显微技术中存在着巨大的应用价值。但是，在薄膜的制备当中存在着许些不足，制备过程中产生的缺陷，有效原子序数和密度不够高，会使其对X 射线的吸收效率降低，薄膜的热处理温度一般都较高，所以对衬底有耐高温的限制，而且单次涂覆薄膜的厚度一般都在几十到几百纳米，要想得到微米以上厚度的薄膜就需要多次涂覆，必然会对薄膜的表面均匀性和平整度等性质产生一定的影响。利用溶胶一凝胶工艺制备高质量的闪烁薄膜，需要从以下几个方面进行重点研究。
（1） 选择高密度、高有效原子序数、高发光产额和余辉短的材料作为研究对象。
（2） 优化闪烁薄膜制备的溶胶一凝胶工艺。
（3） 详细测试出制备材料的物理性能，做好原料的详细研究。
（4） 优化闪烁薄膜制备的溶胶一凝胶工艺。
总之，欲研究出性能优良的LuAG 闪烁薄膜，使其在医疗、科学研究、天文学、工业无损探伤登领域取得广泛应用，还需要做更多、更深入的研究和开发工作，同时可以预计，LuAG 薄膜的研究必将会取得突破，从而带来巨大的经济和社会效益。
参考文献
[1] Baogui You, Min Yin, Weiping Zhang, et al. “Luminescence properties of Tb 3+-doped LuAG films prepared by Pechini sol-gel method,.” J. Rare Earth, 24(2006) 745 -748.
[2] 庞辉勇, 赵广金, 介明印，曾雄辉，夏长泰，周圣明，徐军. “显微成像荧光屏
用无机闪烁单晶薄膜的研究进展” 中国科学院上海精密机械研究所. 上海201800,1000-324X （2005）02-0267-07.
[3] 钟玉荣, 王宝义, 于润升. 无机闪烁薄膜的研究进展. 材料导报,
22(2008)100-103.
[4] 汪婧, 陈伯显, 庄人遴. “无机闪烁探测器综述”清华大学工程物理系, 北京
100084. 2006 年11月.
[5] Baogui You, Min Yin, Weiping Zhang, et al. “Luminescence properties of
Tb 3+-doped LuAG films prepared by Pechini sol-gel method,.” J. Rare Earth, 24(2006) 745 -748.
[6] Yu. Zorenko, V. Gorbenko. “Growth peculiarities of the R3Al 5O 12 (R=Lu,Yb,Tb,
Eu,Y) single crystalline films-phosphors by liquid phase epitaxy.” Radiation Measurements, 42 (2007) 907 – 910.
[7] J. A. Mares, P. Prusa , M. Nikl, K. Nitsch,et al. “Ce3+-doped crystalline garnet
films scintillation characterization using α –particle excitation.” Radiation Measurements, 45 (2010) 369-371.
[8] V . Gorbenkoa, Yu. Zorenko, V . Savchyn, et al. “Growth and luminescence
properties of Pr 3+-doped single crystalline films of garnets and perovskites”. Radiation Measurements, 45 (2010) 461–464.
[9] V. Babin , V. Gorbenko, A. Krasnikov, etal. “Influence of lead-related centers
on luminescence of Ce3+ and Pr3+ centers in single crystalline films of aluminium perovskites and garnets.” Radiation Measurements, 45 (2010) 415–418.
上海大学
大学生科技创新实践(二) 文献综述
学 院 专 业 学 号 姓 名 指导教师 日 期
溶胶-凝胶法制备LuAG 薄膜
张小桃 09120154
（上海大学材料学院无机非金属专业）
摘要：溶胶-凝胶法是在不同衬底（单晶硅片、石英等）上制备LuAG 薄膜，利用乙醇作为分散剂，添加柠檬酸作胶凝胶，涂膜采用旋涂法，薄膜通过二次涂膜而形成。溶胶-凝胶工艺过程简单，无需任何真空条件和复杂设备。薄膜制备期间，可以添加一些稀土元素，如Lu,Yb, Tb, Eu–Y 等，而制成能有效吸收高能射线（X 、γ射线）或高能粒子并发出紫外或可见光的功能闪烁材料。它在高能物理、医学诊断（X-CT 和PET 等）以及工业无损探测等方面有着重要的应用。本文综述了用凝胶溶胶法制备LuAG 薄膜的具体方法，从原料的准备出发，介绍了制备的工艺流程，并对Lu 掺杂的LuAG 薄膜闪烁材料的性能作了相关介绍。最后，对这个工艺过程总结了自己的一些认识和理解。
关键词： LuAG 薄膜， 溶胶凝胶法，闪烁材料，高分辨，X 射线成像 Abstract: Sol - gel method is a method that LuAG film prepared on different substrates (monocrystalline silicon, quartz, etc.). The using of ethanol as a dispersing agent, citric acid, gum gel coating using spin-coating film through the second coatingmembrane and formation. Sol - gel process is simple, without any vacuum conditions and complex equipment. During the film preparation, you can add some of the rare earth elements, such as Lu, Yb and Tb, of Eu-Y, and made able to effectively absorb high-energy rays (X of γ-rays) or high-energy particles and issued a UV or visible function of scintillation materials. It has important applications in high energy physics, medical diagnostics (X-CT and PET, etc.) and industrial nondestructive detection. This article reviews the LuAG film prepared with gel sol method, starting from raw material preparation, the preparation process, the performance of scintillation materials and Lu-doped LuAG film made related presentations. Finally, I summarize up knowledge and understanding for this process. Key words：LuAG films, sol-gel method, scintillation materials, high-resolution X-ray imaging
1． 引言
Lu 3Al 5O 12(LuAG)具有立方晶体结构(立方晶系，空间群Ia3d) ，密度高(6.73 3g/cm) ，是目前PET 上所用材料Bi 4Ge 3O 12(BGO)的94％，熔点高（2010℃），机械性能好，可在长期辐射条件下保持稳定的光学和物化性能，是一种优良的闪烁基质
3+材料。由于Ce 允许的5d 4f 跃迁，使其具有几十个纳秒的快速衰减时间，500～550 nm 左右的发射波长在Si 光电二极管的高敏感区域范围内，满足于闪烁体性能
要求，是一种很有应用前景的闪烁材料。
闪烁体材料是一种能有效吸收高能射线或高能粒子并发出紫外或可见光的功能材料，闪烁体在高能物理、医学诊断以及工业无损探测等方面起着重要作用。在医学诊断系统中，闪烁体是构成诊断设备中显微成像闪烁屏的关键。随x 射线成像技术在生物学、放射医学等医药学领域的广泛应用，具有微米级更高空间分辨率闪烁薄膜的研究备受关注。显像技术要求闪烁体具有光产额高，衰减时间短且余辉小，对x 射线的吸收系数大(高密度和大的有效原子数) ，发光波长与现有探测元件匹配等优点。
关于铈离子掺杂铝酸镥材料的研究已经有一些报道，主要是集中在粉体、陶瓷和单晶方面，而多晶薄膜的研究还未见报到。Lu 3Al 5O 12的单晶材料通常采用Czochralski 法生长，该方法的制备工艺复杂苛刻，成本高，稀土离子掺杂的均匀性很难控制，而且很难生长大尺寸的单晶。2007年，Yu. Zorenko 等人利用液相外延法（PLE ）制备了Lu 3Al 5O 12:Ce(LuAG:Ce)单晶薄膜，后来在YAG 衬底上用同样的方法制备出了R 3Al 5O 12(R=Lu,Yb, Tb, Eu–Y) 单晶薄膜，但这种方法其生长温度较高，掺杂离子分布不均及始终存在单晶薄膜与衬底晶格失配的问题等都影响薄膜的质量，使其在实际应用中受到限制，并且这种制备方法不仅成本高且工艺复杂。
与闪烁晶体材料相比，制备薄膜闪烁体所要求的设备较为简单，可以大面积生长，便于加工。尤其对于多组分的材料，用化学方法(如溶胶-凝胶法) 制备的薄膜中掺杂的离子分布可达亚微米甚至分子级水平。而且闪烁薄膜对光几乎不散射，能有效提高成像分辨率。随着薄膜材料制备方法的不断进步和创新，薄膜闪烁材料越来越显现出其独特的优点。因此，研究能够广泛应用成医学成像等领域中的高性能闪烁薄膜材料成为当前重要的研究主向之一。
2． 制备工艺
溶胶凝胶（Sol-gel ）法是制备材料方法中新兴起的一种湿化学方法。它的基本原理是：以金属醇盐或其它金属无机盐的溶液作为前躯体溶液，在低温下通过溶液中的水解、聚合等化学反应，首先生成溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，然后经过热处理或减压干燥，在较低温度下制备出各种无机材料或复合材料的方法。它可以根据需要调节各个过程中的影响因素，可以获得各种具有特殊性能或其它方法难以合成的材料。可见根据溶胶凝胶法的原理，可将溶胶-凝胶法分为以下几个过程：（1）溶胶制备过程；（2）凝胶形成过程；（3）陈化过程；
（4）干燥过程；（5）热处理过程。
利用溶胶-凝胶法在基片上沉淀复合氧化物薄膜的方法有浸涂、旋涂和喷涂等。(1) 旋转涂敷法是在旋转涂敷机上进行的，将基片水平固定于转台，然后将所要涂敷的溶液滴在基片的中央，由旋转运动产生的离心力使溶液由圆心向周边
扩展形成均匀的薄膜，在一定条件下形成凝胶膜，经过干燥和焙烧得到氧化物薄膜。(2) 浸涂法是将整个清洗干净的基板浸入溶液中，然后以一定速率平稳缓慢的提拉出来。提拉涂敷的工艺应用范围很广，对于大型涂件来说更为经济。(3) 喷涂法主要由表面准备、加热、喷涂三个步骤组成。先将基片清洗干净放入加热炉内，通常加热到300-5000C ，然后使用专用的喷枪以一定的压力和速度将溶胶喷到热的基片表面，经自然干燥和热处理后即形成凝胶膜。
具体方案如下：
（1）LuAG 前驱体溶胶配制：
以Al(NO3) 3.9H 2O(99.99%)，Lu 2O 3(99.99%)为原料，选用乙醇作为分散剂、柠檬酸作螯合剂，聚乙二醇(PEG)作交联剂，并添加适当的去离子水，用不同乙醇、柠檬酸和聚乙二醇的配比，通过对所制溶胶胶化学性能产生不同的影响，摸索出一个较合适的配比配成稀土离子掺杂的LuAG 前驱溶胶。然后在80℃的温度下搅拌形成溶胶凝胶。如果想做成掺杂稀土元素的LuAG ，则也在配料的时候添加适量的稀土元素，稀土元素会取代LuAG 中Lu 的位置，而形成掺杂薄膜
图1 LuAG的制备工艺流程
Fig.1 The preparation process of the LuAG
（2）LuAG 前驱体溶胶涂覆成薄膜：
以单晶硅或石英等做为衬底，在110℃的温度下采用不同工艺(旋涂法、浸[1]
渍法) 涂覆得到缺陷少、表面均匀性和平整度较好的LuAG 前驱体薄膜。通过反复旋涂，得到一定厚度的薄膜，分析不同溶胶的涂覆成膜性能，优化溶胶配制工艺。
（3）LuAG 前驱薄膜的锻烧：
将上面得到的稀土发光离子掺杂的LuAG 前驱体薄膜在气氛保护条件下，通过改变升温速度、保温时间或外加压力等，找到最佳的烧结制度，制备得到发光强度较高、闪烁性能优异的LuAG 闪烁薄膜材料。一般锻烧温度选在800℃—1100℃煅烧。
（4）LuAG 薄膜发光性能的表征：
对锻烧得到的稀土离子离子掺杂的LuAG 薄膜进行详细的发光性能和纤维结构测试表征。主要涉及到荧光发光光谱、X-射线激发发射光谱、荧光寿命谱和光产额光谱性能表征手段及XRD 、扫描电镜、透射电镜等显微结构分析。
（5） 通过优化工艺条件，调整参数，希望实现用溶胶-凝胶结合旋涂法（或浸涂法）工艺制得室温LuAG 稀土掺杂闪烁薄膜。
3． Lu 掺杂LuAG 薄膜闪烁材料
闪烁材料是一种能有效吸收高能射线（X 、γ射线）或高能粒子并发出紫外或可见光的功能材料，它在高能物理、医学诊断（X-CT 和PET 等）以及工业无损探测等方面有着重要的应用。
图2 X-CT 显微结构成像测得昆虫的膝盖骨的图像[2]
Fig.1 Imaging of a insect’s knee by the X-CT microstructure imaging
当前在上述各个领域应用的闪烁材料主要有单晶、多晶陶瓷块体和薄膜几
种形态。相对于单晶或多晶透明陶瓷块体闪烁材料而言，闪烁薄膜材料的制备工艺相对简单，耗时短，成本较低，可以在大大低于材料熔点的温度下完成闪烁薄膜材料的制备和成型，并且可以大面积生长，便于加工；同时能够根据器件应用要求较方便地实现不同掺杂离子组份设计和高浓度离子的均匀掺杂，避免由于单晶体生长工艺限制所造成的掺杂浓度低、分布不均匀的状况，这对无机闪烁材料的闪烁性能提高至关重要。另外，通过在X-CT 的闪烁荧光屏上使用闪烁薄膜材料，可以较好地克服用荧光粉或多晶透明陶瓷块体闪烁材料在荧光屏上造成的对X 射线的弱吸收，反射、散射和光输出不高的缺点。由于闪烁薄膜材料在X-CT 成像技术越来越显现出其独特的优点，因此研制高分辨成像荧光屏用高性能闪烁薄膜材料成为了闪烁探测材料当前重要的研究热点之一。
为了进一步提高X-CT 显微结构成像系统分辨率的问题，要求所使用的闪烁材料应具有发光效率高，高密度，对X 射线的吸收系数大，发光波长与CCD 探测元件的高效率响应范围（500～700nm ）匹配等特性，因此在二十世纪九十年代末Andreas Koch等提出可用高密度闪烁材料体系来制备薄膜以改善对X 射线吸收能力和提高成像系统的分辨率。稀土元素镥（Lu ，原子序数为71）作为自然界最重的稀土元素，备受研究人员的关注。近年来，多种镥基氧化物闪烁材料体系，如Lu 2O 3:Re、 LuAlO 3:Re (LuAP)、 LuAG 、LSO 和 Lu 2Si 2O 7:Re (LSP)等（Re 代表稀土元素）因具有优异的物理和化学性能而成为当前研究的热点。其中LuAG 具有立方晶体结构（立方晶系, 空间群Ia3d ）、密度高、熔点高（2010℃）、机械性能好和相当优异的闪烁性能，并可在长期辐射条件下保持稳定的物化和光学性能，因此使其有望用于上述现代的医疗成像设备上[5]。
图3 新一代探测器的基本结构
Fig.3 Basic configuration of a new-style detector
目前，LuAG 的块体闪烁材料（单晶和多晶陶瓷）通常是用晶体生长方法（如Czochralski 法）和传统的陶瓷制备工艺来制得, 然而由于LuAG 的熔点高
（2010℃），因此这些形态材料的制备工艺复杂苛刻, 成本高, 稀土离子的掺杂均匀性较难控制, 而且生长大尺寸的高质量单晶或多晶陶瓷块体材料难度大，性能也不稳定，从而限制了其优良性能的发挥和应用范围。
根据前述薄膜材料自身所具有的一些优越特性，人们对LuAG 薄膜材料进行[2]
了探索研究报道。目前针对LuAG 薄膜材料制备主要采用液相外延法、气相法和溅射法等。气相法和溅射法通常需要较高的反应温度，而且受炉体的限制，产量较低，不易批量生产。液相外延法虽然使其生长温度在一定程度上有所降低，但在制备过程中掺杂离子分布不均匀及存在单晶薄膜与衬底晶格失配的问题等都将影响薄膜的光学质量，使其在实际应用中受到限制。所以，寻找制备手段相对简单，生长条件较易控制，易于掺杂，并可大面积生长LuAG 薄膜材料的方法就显得有特别意义。据文献报道可用溶胶－凝胶法制备稀土离子掺杂的LuAG 薄膜，降低该材料的晶化温度。因此本研究项目将采用简便、可行的溶胶-凝胶工艺技术在不同衬底（单晶硅片、石英等）上制备发光性能可调节的铈离子掺杂LuAG 薄膜，通过不同浓度的铈离子掺杂来调节LuAG 薄膜的发光强度，结合对薄膜的晶相结构、显微形貌结构和光学性能进行的测试、表征研究，获得综合闪烁性能优异的LuAG(Ce)闪烁薄膜，为镥基高密度闪烁薄膜应用于高分辨率荧光屏提供科学基础和技术积累。
图4 Ce3+ 离子掺杂的闪烁体性能[4]
Fig.4 The scintillator performance of Ce 3+ doped
4. 总结与展望
纵观LuAG 薄膜的研究现状和进展，人们清楚地认识到闪烁薄膜材料在高分辨显微技术中存在着巨大的应用价值。但是，在薄膜的制备当中存在着许些不足，制备过程中产生的缺陷，有效原子序数和密度不够高，会使其对X 射线的吸收效率降低，薄膜的热处理温度一般都较高，所以对衬底有耐高温的限制，而且单次涂覆薄膜的厚度一般都在几十到几百纳米，要想得到微米以上厚度的薄膜就需要多次涂覆，必然会对薄膜的表面均匀性和平整度等性质产生一定的影响。利用溶胶一凝胶工艺制备高质量的闪烁薄膜，需要从以下几个方面进行重点研究。
（1） 选择高密度、高有效原子序数、高发光产额和余辉短的材料作为研究对象。
（2） 优化闪烁薄膜制备的溶胶一凝胶工艺。
（3） 详细测试出制备材料的物理性能，做好原料的详细研究。
（4） 优化闪烁薄膜制备的溶胶一凝胶工艺。
总之，欲研究出性能优良的LuAG 闪烁薄膜，使其在医疗、科学研究、天文学、工业无损探伤登领域取得广泛应用，还需要做更多、更深入的研究和开发工作，同时可以预计，LuAG 薄膜的研究必将会取得突破，从而带来巨大的经济和社会效益。
参考文献
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