[发明专利]ZnO:Ga单晶纳米棒阵列X射线闪烁转换屏及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种ZnO:Ga单晶纳米棒阵列X射线闪烁转换屏及其制备方法和应用，本发明利用射频反应磁控溅射在基片上制备ZnO种子层薄膜，然后利用低温水热法在基片上形成ZnO:Ga单晶纳米棒阵列，再通过氢气退火处理制得ZnO:Ga单晶纳米棒阵列X射线闪烁转换屏。与现有技术相比，本发明的ZnO:Ga单晶纳米棒阵列组分稳定、厚度均匀、无开裂，附着于基底十分牢固，闪烁发光性能优异，制得的ZnO:Ga单晶纳米棒阵列X射线闪烁转换屏可应用于高空间分辨率和高时间分辨率数字X射线成像。

技术领域

本发明属于高分辨率数字化X射线成像技术领域，尤其是涉及一种ZnO:Ga单晶纳米棒阵列X射线闪烁转换屏及其制备方法和应用。

背景技术

在核聚变、等离子体诊断、无损检测、物质微结构及生物医学等领域，闪烁转换屏是实现X射线探测与成像的核心器件。近年来X射线图像的数字化记录由于其方便快捷、易于存储、传输和图像处理等优点，已逐渐代替传统的感光胶片进行图像记录的方法。常见的X射线数字成像系统是由闪烁转换屏，光学系统及可见光探测器件。其基本原理是：由闪烁转换屏将X射线图像转换成可见光图像，再经过光学系统将图像耦合到普通的CCD上。因此，在可见光探测器件日趋完善的前提下，闪烁转换屏的性能是影响X射线成像探测器件指标的关键。评价闪烁转换屏的性能涉及到两个关键参数，即发光衰减时间和空间分辨率。获得兼顾超快闪烁发光与高空间分辨率的闪烁转换屏是人们长期以来追求的目标。

宽禁带半导体ZnO:Ga的激子激活能高达到60meV，在室温下具有优异的发光性能。在高能X射线或粒子激发下，该材料辐射硬度高，激子发光上升沿时间约43ps，衰减时间为82ps(20keV X射线)，光产额达到15000photo/MeV(511keVγ射线)，是一种极具发展潜力的超快闪烁材料。再者，由于其高折射率(n＝2.45)使得一维ZnO基单晶纳米棒对激子发光具有良好的光波导效应。因此，若将ZnO基单晶纳米棒阵列应用于高能射线或粒子的闪烁转换屏，则它不仅具有超快探测与成像的特性，还将因为光波导作用避免了荧光的侧向扩散及传播散射，极大提高闪烁探测器的空间分辨率。

根据已有报道，实现高空间分辨率探测与成像的方式通常有两种：一是制备出性能优异的透明闪烁薄膜；另外就是获得结构化的闪烁材料。在无机透明闪烁薄膜研究方面，国际上近年来已取得了巨大进展，最高成像空间分辨率已能达到亚微米。该方式的不足之处主要体现在空间分辨率受到薄膜厚度的制约。为了达到微米量级的空间分辨率，薄膜厚度一般需控制在1-3μm，这将严重影响它的发光强度，进而影响到转换屏的探测效率。另一方面，发展结构化闪烁转换屏是获得高空间分辨率探测与成像的大趋势。目前，实现结构化生长的闪烁材料主要是CsI:Tl。该材料的光输出高，是一种综合性能优良且实用的闪烁体，使其在高能物理、核医学、安检、工业CT很多领域得到了广泛应用。结构化CsI:Tl X射线探测器的微柱直径一般在3-50μm范围内，能获得微米量级的空间分辨率成像，但其微秒量级的衰减时间无法满足高计数率探测与超快成像等方面的应用需要。

国际上，2013年A.Taheri等人提出了以ZnO微米棒作为闪烁材料的概念。基于ZnO基材料相对易于制备成单晶纳米棒阵列，且直径为亚微米的纳米棒长度可达数十微米，这在保证探测效率的前提下，可以获得亚微米级的空间分辨率成像。另外，2015年日本Masakazu Kobayashi等人初步尝试了利用ZnO纳米线制备的X射线闪烁转换屏，闪烁屏厚度仅有500nm左右，闪烁发光较弱，为了获得清晰的成像，需要的X射线剂量达到了4×10¹¹photons mm^-2s^-1，由于X射线的剂量过大，无法满足X射线闪烁转换屏的实际成像需求，特别是在生物和医学方面的成像需求。在国内，目前尚无利用ZnO:Ga单晶纳米棒阵列做X射线闪烁转换屏的报道。总体来看，可以说国内外目前基本上都还没有利用ZnO:Ga单晶纳米棒阵列制作兼顾高空间分辨率和高时间分辨率X射线成像探测器的实用报道。

发明内容