准晶体的研究进展
光子晶体的应用及其发展前景
光子晶体的应用及其发展前景 摘要：光子晶体是一种介电常数不同的，是人工设计的由两种或两种以上介质材料排列的一维·二维或三维周期结构的晶体。一维光子晶体已得到实际应用，三维光子晶体仍处于实验室实验阶段。由于光子晶体有带隙和慢光等优良特性，所以具有广泛的应用前景。 关键字：光子晶体物理基础材料制备应用 1、物理基础 （1）1987年，E.Y allonovitch 和S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时提出光子这概念。概念提出后，其研究经历了一个从一维、二维到三维的过程，并将带隙不断向短波方向推进。微波波段的逞隙常称为电磁带隙（ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。光子晶体是指具有光子带隙（Photonic Band-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。相比一维二维光子晶体只能产生方向禁带，三维光子晶体能产生全方向的禁带，具有更普遍的实用性。 2、光子晶体的原理 （1）什么是光子晶体 光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。 （2）光子晶体的特性 根据固体物理的理论知识，在电子晶体中，由原子排布的晶格结构产生的周期性势场会对其中的运动电子形成调制。类似于电子晶体的一些特性，光子晶体中由于介电常数的空间周期分布带来的调制作用，所以也会形成光波的的带状分布，出现不连续的光子能带，能带的间隙称为光子禁带。禁带中对应频率的光波不能被传播。 光子禁带是光子晶体的两个重要特征之一，它的另一重要特征是光子局域。按照形成光子晶体结构的介电材料的空间周期性，可将其分为一维、二维和三维光子晶体。对于一维的光子晶体来说，由于介电材料只在一个空间方向上周期排列，所以只能在这一方向上产生光子禁带。对于二维光子晶体来说，由于介电常数在两个空间方向上均具有周期分布，所以产生的光子禁带位于这两个方向或这两个波矢交面上。三维光子晶体具有全方位的周期结构，可在所有方向上产生光子禁带。产生的光子禁带又分完全带隙和不完全带隙。在具有完全带隙的光子晶体中，落在光子禁带中的光在任何方向都不能传播，而在具有不完全带隙的光子晶体中，光波只是在某些方向上被禁止。
综述光子晶体的研究进展
光子晶体的最新研究进展 （学号：SA12231016 姓名：陈飞虎） 摘要：光子晶体（Photonic Crystal）是在1987年由S.john[1]和E.Yablonovitch[2]分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。在这二十多年的发展当中，光子晶体已在光通信技术、材料科学和激光与光电子学等方面都取得了相应的进展。本文阐述了光子晶体在各方面所取得的相应进展，并探讨光子晶体在各个领域的最新研究状况。 关键词：光子晶体研究进展 1 引言 自光子晶体这一概念提出以来，它就成为各个学科领域的科学家们关注的热点。光子晶体(Photonic crystals)材料又称为光子带隙(Photonic band gap,PBG)材料,指介电常数(折射率)周期性变化的材料。电子在固态晶体的周期性势垒下能形成电子带隙,光子晶体的周期性晶格对光的布拉格散射可以形成光子带隙, 频率处在光子带隙中的光被禁止进入光子晶体。若光子晶体中某个地方不满足周期性,即引入了缺陷,禁带中就会出现缺陷态,缺陷态具有很高的光子态密度。采用各种材料,设计不同的光子晶体结构和引入不同的缺陷类型以及缺陷组合,可以制作出功能和特性各异的微纳光子器件。因光子晶体具有光子带隙和光子局域两大优越特点，所以它在发光二极管、多功能传感器、光通讯、光开关、光子晶体激光器等现代高新技术领
域[3-4]有着广泛应用。当前所制备的光子晶体大多不可调，但对于可调制光子晶体的带隙可以调控，电介质的折射率和光子晶体的晶格常数决定了光子带隙的宽度和位置，故改变外部环境，如加电场、磁场、压力或温度等，均能对光子禁带进行调制。因此可调控的光子晶体成为各个应用领域的研究热点和方向。 2 光通信技术方向的研究进展 传统波导利用的是全内反射原理，当波导弯曲较大时，电磁波在其中的传播不再符合全反射原理，以至于弯曲损耗较大。而光子晶体波导采用的是不同方向缺陷模共振匹配原理，因而光子晶体波导不受转角限制，有着极小的弯曲损耗。理论上，当波导弯曲 90°时，传统波导会有 30％的损失，而光子晶体波导的损耗只有 2%[5]。另外，光子晶体波导的尺度可以做得很小，达到波长量级；因此，光子晶体波导不仅在光通信中有着十分重要的应用，在未来大规模光电集成、光子集成中也将具有极其重要的地位。 光子晶体光纤(PCF) 由于它的包层中二维光子晶体结构能够以从前没有的特殊方式控制纤芯中的光波,使其具有诸多优异的光学特性,如无截止单模传输特性、可调节的色散特性、高双折射特性、大模面积和高非线性特性等,因此PCF的研究一直是光通信和光电子领域科学家们关注的热点。目前，世界各国对PCF的研究如火如荼,在PCF的色散、带隙、非线性特性及应用方面均有了长足进展。PCF的
无机闪烁晶体
无机闪烁晶体、塑料闪烁体简介 无机闪烁晶体、塑料闪烁体简介 一无机闪烁晶体 1 闪烁晶体与辐射探测 X射线、CT、核医学放射性核素成像、环境辐射监测、高能射线探测，其原理都是利用光子流作为射线源，射线穿透人体或物质，再从人体或物质中发射出来或射线直接被探测器接收而形成影像。所以探测器系统对射线的接收程度就成为关键的因素之一，常用的技术有：气体电离室探测、半导体材料探测、闪烁晶体探测等。而闪烁晶体因其固有的吸收射线辐射发光的特性就成为测量射线能量和强度的良好材料。无机闪烁晶体主要应用领域有高能物理、核物理、核医学（如XCT、PET以及g相机）、工业应用（工业CT）、地质勘探、石油测井等。闪烁晶体在射线的激发下能发出位于可见光波段的光波，不同的闪烁体最大闪烁发射波长、光产额、闪烁衰减时间、辐射长度、辐照硬度及密度、熔点、硬度、吸潮性等物理性质都有所不同。现实中没有任何一种闪烁体能满足全部使用要求，每种闪烁晶体都有各自的优缺点，使用中需根据具体要求及应用领域选择不同的材料。一般来说无机闪烁晶体用于辐射探测时基本应具备以下几个条件： <1>对探测粒子有较大的阻止本领，使入射粒子在晶体中的损耗量较大，为此闪烁体的密度及有效原子序数应较大。 <2>具有较高的发光效率及较好的能量分辨率。 <3>在自身发光波段内无吸收，即有较高的透过率。 <4>较短的发光衰减时间（时间分辨好）。 <5>发射光与光探测元件光谱响应相匹配。 <6>较大的辐照硬度（抗辐射损伤）。 <7>较好的热稳定性（发光效率受温度影响小）。 <8>易于加工成各种形状和尺寸。 <9>较好的化学稳定性（不吸潮）。 现已开发的无机闪烁体如下：NaI(Tl) .CsI. CsI(Na) .CsI(Tl) .LiF(Eu) .CaF2(Eu) .CdF2、 BaF2.CeF3 .BGO(Bi3Ge4O12) .ZWO(ZnWO4) .CWO(CdWO)4 .PWO(PbWO4) .GSO:Ce(Gd2SiO2O5:Ce) .LAP:Ce(LaAlO3:Ce) .YAP:Ce （Y AlO3:Ce）.LSO:Ce(Lu2Si2O5:Ce)等。 2 无机闪烁晶体特性及应用领域 NaI和BGO是目前应用较多的闪烁晶体，NaI(Tl)光输出大。对NaI(Tl)光输出的界定是以最早的塑料闪烁体--蒽（C14H10） 来标定，相对于蒽，NaI(Tl)的相对光输出为230%。 NaI(Tl) 晶体密度较低（3.65g/cm3）， BGO有较高的密度（7.13g/cm3），但光输出较低（只有NaI(Tl)的8%）。现处于较前沿的闪烁晶体有：GSO(Ce)、YAP (Ce)、LAP(Ce)、LSO(Ce)等。这些晶体光输出较高，如LSO(Ce)约为NaI(Tl)的75%，且衰减时间快、密度高。因其优良的性能，尽管造价昂贵，但仍不失为高能探测的理想材料。 2.1碘化钠NaI(Tl)晶体 NaI(Tl)晶体的发光效率在所有与光电倍增管耦合的闪烁晶体中是最高的，光产额为38000 (光子数/MeVγ)，其余晶体的发光效率常以其相对于NaI(Tl)的百分数来表示。NaI(Tl)因具有很高的光产额且受温度的影响相对较小（可在170℃时使用），且成本低廉，所以较早应用于地质勘探及核医学中作为探测X射线、γ射线的敏感元件，迄今仍在广泛使用。 常见有NaI(Tl)单晶及热锻NaI(Tl)闪烁晶体，Table .1为NaI(Tl)单晶及热锻NaI(Tl)闪烁晶体性能。 Table .1 Scintillation Properties of NaI(Tl) and POLYSCIN NaI(Tl) Crystal
浅析磁场在晶体生长中的应用研究进展
浅析磁场在晶体生长中的应用研究进展 摘要：本文首先介绍了磁场对晶体生长影响的两种机制和磁场的类型，然后分析了磁场在蛋白质晶体生长中的应用和磁场在氧化物晶体生长中的应用，最后探讨了磁场在半导体晶体生长中的应用。 关键词：磁场；晶体生长；应用 从熔体中生长晶体，由于对流，尤其是湍流的存在而产生宏观及微观的生长条纹，影响到晶体的物理及化学性质的均匀性。克服对流的方法主要有微重力环境和磁场，而前者的实验费用昂贵，实验次数少，可用于基础性的研究，大规模的商业应用在目前来说是不现实的。 磁场用于抑制晶体生长中的湍流以减少条纹的方法是在1966年由Utech和Fleming及Chedzey和Hurlel分别独立提出的，然而这一发现却未能引起人们的重视。70年代末，人们发现磁场对Si单晶生长中引入晶体的氧浓度影响很大。由于氧浓度对Si基半导体器件的性能影响很大，才开始大规模研究磁场对晶体生长行为的影响。 1磁场对晶体生长影响的两种机制 磁场影响晶体生长的机制有两种：Lorentz力与熔体中对流的互作用和对生长物质的磁化。前一种机制是对熔融态导电的物质而言的。磁场条件下熔体的流动必然引起感应电流的存在，而磁场又对这种感应电流有LorentZ力的作用，因此可以抑制熔体中的对流。如果用B、E、V分别表示磁场强度、感生电动势和熔体流速，那么熔体中的感生电动势E为：E=-B×V 熔体中的感生电动势是非均匀的，因此有电流J存在，这样抑制熔体运动的力F为：F=J×B 另外一种机制则是对于非导电的物质，如蛋白质而言。它们在磁场作用下分子受到磁化，其受到的力 其中x为该物质的磁化率，H为磁场强度，V为物质体积。 2磁场的类型 目前，磁场在晶体生长中的应用一般分为两大类：稳恒磁场和非稳恒磁场。其中稳恒磁场又可分为横向（水平）磁场、垂直（轴向、纵向）磁场、会切（勾形）磁场；非稳恒磁场又分为旋转磁场、行波磁场、交变磁场和电磁场。 3磁场在蛋白质晶体生长中的应用
NaI(Tl) 闪烁晶体γ能谱测量
NaI(Tl) 闪烁晶体γ能谱测量 实验人：吴家燕学号：15346036 一、实验目的 1、加深对γ射线和物质相互作用的理解； 2、掌握NaI(Tl) γ谱仪的原理及使用方法； 3、学会测量分析γ能谱； 4、学会测定γ谱仪的能量分辨率、线性、探测效率曲线； 5、测定未知放射源的能量和活度。 二、实验原理 1、γ谱仪的组成 NaI(Tl)闪烁谱仪由NaI(Tl)闪烁探头（包括闪烁体、光电倍增管、前置放大器）、高压电源以及谱仪放大器、多道分析器、计算机等设备组成。图1 为NaI(Tl)闪烁谱仪装置的示意图。 2、射线与闪烁体的相互作用 当γ射线入射至闪烁体时，发生三种基本相互作用过程：（1）光电效应；（2）
康普顿散射；（3）电子对效应。 图2 为示波器上观察到的单能γ射线的脉冲波形，谱仪测得的能谱图。图3 是137Cs、22Na 和60Co 放射源的γ能谱。图中标出的谱峰称为全能峰。在γ射 线能区，光电效应主要发生在K 壳层。在击出K 层电子的同时，外层电子填补K 层 空穴而发射X 光子。在闪烁体中，X 光子很快地再次光电吸收，将其能量转移给光 电子。上述两个过程是几乎同时产生的，因此它们相应的光输出必然是叠加在一起的，即由光电效应形成的脉冲幅度直接代表了γ射线的能量（而非减去该层电 子结合能）。 3、137Cs 能谱分析 4、闪烁谱仪的性能 能量分辨率
探测器输出脉冲幅度的形成过程中存在着统计涨落。即使是确定能量的粒子的脉冲幅度，也仍具有一定的分布，其分布示意图如图4 所示。通常把分布曲线极大值一半处的全宽度称半宽度即 FWHM，有时也用表示。半宽度反映了谱仪对相邻脉冲幅度或能量的分辨本领。因为有些涨落因素与能量有关，使用相对分辨本领即能量分辨率η更为确切。一般谱仪在线性条件下工作，故η也等于脉冲幅度分辨率，即 对于一台谱仪来说，近似地有 对于单晶谱仪来说，能量分辨率是以137Cs 的0.662MeV 单能γ射线的光电峰为标准的，它的值一般在8-15%，最好可达6-7%。 能量线性刻度曲线 为检查谱仪的能量线性情况，必须利用一组已知能量的γ放射源，测出它们的γ射线在谱中相应的全能峰位置（或道址），然后，作出γ能量对脉冲幅度（或道址）的能量刻度曲线。这个线性关系可用线性方程表示，即 式中x p 为峰位，即道址；E0 为截距，即零道对应的能量；G 为斜率，即每道对应的能量间隔，又称增益。实验中用的γ核素能量列于表2 中。典型的能量刻度曲线如图5 所示。
中国功能晶体研究进展
185 https://www.360docs.net/doc/c64943945.html, Volume 1 · Issue 2 · June 2015 Engineering 中国功能晶体研究进展 王继扬１*，于浩海１，吴以成２，Ｒｏｂｅｒｔ Ｂｏｕｇｈｔｏｎ３ 摘要：功能晶体是现代科学技术发展的基础材料之一，在当前 信息时代发挥着重要和关键的作用。本文总结了若干功能晶体的研究进展，综述了中国功能晶体的现状及重大成就和重要应 用，讨论了功能晶体面临的挑战和机遇，提出了可能的发展方向。 关键词：功能材料，激光晶体，非线性光学晶体，闪烁晶体，弛豫型铁电晶体，半导体 1?引言 晶体是具有长程有序的固体材料，功能晶体是力、热、电、磁、光、声等各种能量形式转化的媒介，是现代科学技术发展的基础材料之一。例如，众所周知的宝石——金刚石晶体由于其极高的硬度、优越的热学和电导性能，掺杂后还有半导体性质，是一种优秀的功能晶体；单晶硅是集成电路的基础，推动了计算机及其相关技术的蓬勃发展，使人类进入了信息时代。功能晶体的人工制备始于1900年法国科研工作者生长人工红宝石 (刚玉) 晶体用于制造手表轴承。人工晶体是针对特定需求而专门生长的高纯度和高度完整性单晶体，在现代科学技术中，人工晶体起着关键作用。 根据主要效应和应用，功能晶体可分成：激光晶体、非线性光学晶体、电光晶体、压电晶体、热释电晶体和闪烁晶体等。此外，大多数半导体晶也具有功能效应，属于功能晶体。目前，功能晶体在众多先进光电子和微电子设备起到了不可或缺的作用。 激光是20世纪四大发明之一，激光晶体是其核心和物质基础，标志着激光器的发展历程。1960年，Maiman 以红宝石晶体 (Cr 3+:Al 2O 3) 为激光介质，发明了首台激光器，标志着激光的产生[1]；20世纪70年代，掺钕钇铝石榴石 (Nd:Y AG) 激光晶体首次实现激光输出，推动了中高功率激光的发展；20世纪80年代，钛宝石 (Ti:Al 2O 3) 激光晶体的发展奠定了可调谐激光器 (范围为660~1100 nm) 和超快、超强激光器的基础。20世纪80年代晚期，激光二极管的商业化促进了全固态激光器的迅速发展；20世纪90年代，掺钕钒酸钇 (Nd:YVO 4) 晶体生长瓶颈的克服，促进了高效、紧凑全固态激光器和激光技术的广泛应用。 通常情况下，一种激光器仅发射一种或数种具有特定波长的激光，不同的应用和需求需要不同波长的激光。非线性光学晶体可通过非线性光学效应产生不同波长激光。非线性光学效应是指当激光通过非线性光学介质时，会诱发非线性光学介质的非线性极化，从而产生非线性谐波，如倍频、差频、和频、光参量振荡和光参量产生等。具有非线性光学效应的晶体称为非线性光学晶体。 本文概述了中国功能晶体的最新研究进展，涉及激光晶体、非线性光学晶体 (包括深紫外、可见、红外以及太赫兹波段等) 、闪烁晶体、弛豫铁电体和宽禁带半导体晶体等，并讨论了可能的发展方向。 2?功能晶体现状 2.1?激光晶体 激光晶体是可以通过电泵浦或者光泵浦实现激光输 1 State Key Laboratory of Crystal Materials, Shandong University, Jinan 250100, China; 2 Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China; 3 Department of Physics and Astronomy, Bowling Green State University, Bowling Green, OH 43403-0001, USA * Correspondence author. E-mail: jywang@https://www.360docs.net/doc/c64943945.html, Received 22 June 2015; received in revised form 28 June 2015; accepted 30 June 2015 ? The Author(s) 2015. Published by Engineering Sciences Press. This is an open access article under the CC BY license (https://www.360docs.net/doc/c64943945.html,/licenses/by/4.0/)英文原文：Engineering 2015, 1(2): 192–210 引用本文：Jiyang Wang, Haohai Yu, Yicheng Wu, Robert Boughton. Recent Developments in Functional Crystals in China. Engineering , DOI 10.15302/J-ENG-2015053 Advanced Materials and Materials Genome—Review Research
智能制造之闪烁晶体产业发展概况
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/c64943945.html, 智能制造之闪烁晶体产业发展概况 作者：王莎莎李楠张欢何涛 来源：《中国科技纵横》2018年第15期 摘要：闪烁晶体是一种人工合成的、内部阵列有序的物质，在高能射线通过时可以激发出荧光脉冲。闪烁晶体能探测各种射线，具有密度高、性能稳定等优点，被广泛应用于高能物理、核物理、放射医学、地质勘探、防爆检测、安全检查、国防装备、无损检测等领域，是精准诊疗、智能制造和安检领域的关键材料之一，其产业规模目前仅次于半导体晶体，成为国际先进无机非金属材料产业竞争的前沿。 关键词：闪烁晶体；智能制造；发展概况 中图分类号：TL812.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）15-0222-02 1 前言 闪烁晶体在高端医疗行业的快速健康发展可促进全民健康梦更早更好地实现，此外在安检探测和工业CT等方面的应用也是智能制造不可或缺的关键领域，对制造业强国建设具有重要的支撑作用。在制造业领域，中国制造正向智能制造转变。本文将综述国内外闪烁晶体产业发展历程、应用领域等情况，针对目前我国存在的挑战和面临的问题，提出促进产业发展的建议与措施。 2 闪烁晶体的发展历程 2.1 卤化物闪烁晶体的发展速度超出氧化物闪烁晶体的发展 几年前，像BGO、PbWO4和LYSO这样的氧化物闪烁晶体一直是人们的关注重点，自从上世纪末荷兰Delft理工大学发现氯化镧和溴化镧等新兴稀土卤化物晶体的闪烁效应以来，世界上掀起了卤化物研究热潮。美国劳伦斯伯克利国家实验室又在BaI2的基础上发明了两种新的闪烁晶体Ba2CsI5∶Eu和BaBrI∶Eu，这些新型卤化物晶体尽管性能优良，但都存在一个致命的弱点—易潮解，从而给原料合成、晶体的加工和应用等造成许多障碍。 2.2 从单晶块体材料向多晶、薄膜、阵列和纤维材料的发展 闪烁单晶固然性能优良，但存在成本高、各向异性和大尺寸晶体生长比较困难的问题，与之相比，陶瓷和玻璃因具有各向同性、易加工和易于获得大尺寸等优点而成为近几年大家关注的热点。针对氧化物材料熔点高的缺点，美国、日本、德国等国家相继开展了闪烁陶瓷的研究，已经能够实现部分体系的工业化生产。最近几年，卤化物闪烁陶瓷、半导体透明陶瓷和具
ZnO单晶生长技术的研究进展
Z nO单晶生长技术的研究进展 祝振奇周建刘桂珍任志国 摘要:ZnO是近期材料领域的研究热点之一,其性能优异,有望成为下一代光电子材料。因此,对ZnO单晶的研究具有重要的理论意义和应用价值。目前生长ZnO单晶的方法有助熔剂法、水热法、气相法、熔体法,但单晶的尺寸和质量都有待提高。本文从晶体生长理论和工艺出发,对4种方法进行了全面的对比和分析,预测了ZnO体单晶的生长的研究方向。 关键词:氧化锌;晶体生长;单晶 近年来,基于紫外激光器的实现, ZnO已成为半导体材料领域的研究热点之一。相比SiC, GaN等其他宽带隙材料而言,其资源丰富、价格低廉、稳定性好。ZnO单晶是一种具有半导体、发光、压电、电光、闪烁等性能的多功能晶体,即将成为下一代光电子材料,具有相当广阔的应用前景[1]。不仅如此,为了更好地研究氧化锌的半导体性能,也必须合成高质量的氧化锌体单晶。但是,由于其熔点高达1975℃,在高温下(1400℃以上)升华现象严重[2],还具有强烈的极性析晶特性,所以该晶体生长极为困难。早在20世纪60年代,人们就开始关注ZnO单晶的生长,尽管尝试了很多种生长工艺,但所得晶体尺寸都很小,一般在毫米量级,没有实用价值。鉴于体单晶生长存在很大的困难,人们逐渐把注意力转向于ZnO薄膜的生长研究,曾一度冷落了对体单晶生长工艺的探索。最近,随着GaN, SiC等新型光电材料产业的迅速发展,对高质量、大尺寸的ZnO单晶基片的需求也越来越大, ZnO体单晶的生长研究才重新引起科学家的重视。本文从晶体生长理论和工艺出发,对4种方法进行了全面的对比和分析,预测了ZnO体单晶的生长的研究方向。 1ZnO晶体生长研究进展与分析 目前生长氧化锌体单晶的方法主要有助熔剂法、水热法、气相法、熔体法。 1. 1助熔剂法 助熔剂法是利用助熔剂使晶体形成温度较低的饱和熔体,通过缓慢冷却或在恒定温度下通过蒸发熔剂,使熔体过饱和而结晶的方法。该方法的优点是: (1)适用性很强,几乎所有的材料都能找 到合适的助熔剂; (2)生长的温度低,特别适合高熔点晶体的生长。该方法的缺点有: (1)由于生长机制的原因,要避免晶体生长中不出现助熔剂的包裹体,生长必须比熔体生长慢得多的速度下进
(整理)闪烁晶体市场概况
闪烁晶体市场概况 闪烁体是指在高能粒子或射线(如X射线、γ射线等)的作用下能够发出脉冲光的物体。它是光电功能材料，被广泛用于高能物理、核物理、空间物理、核医学、地质勘探、安全检查以及国防工业等领域。闪烁体在地球物理探矿中有广泛应用，一般通过60Co发出γ射线，通过另一地方接收到的信号就可以分析矿床情况；在石油勘探方面闪烁体发挥着重要作用；在医学领域，利用γ射线制成手术刀，监测γ射线的也是闪烁体；在焊接大型高压容器，宇航设备等无损探伤方面闪烁体也都起着关键作用；在机场安全检查以及货运集装箱的检查中广泛采用闪烁体作为探测器。下图给出了闪烁晶体的产业链及其应用领域。
注： 影像检测医疗器材：如全身正子摄影仪、单光子摄影仪、加马摄影仪、X光摄影仪 医药研究：临床前动物实验摄影仪，如micro-PET、micro-SPECT、micro-CT 农业生技：水果虫害检测、农作物营养吸收与成长等非破坏性检测 工业检测：核能与太阳能等能源工业元件非破坏性检测 安全检测：机场、海关安全检查，货柜安全检查 辐射防护：上述应用区域皆需辐射防护设备，环境监控仪器 图2 LSO:Ce闪烁晶体图片 二、行业基本状况及趋势 目前，闪烁晶体的发展正处于一个新的上升时期。近年来，在高能物理和空间研究、医学成像以及迅猛发展的工业检测和安全检察等众多高技术装备中正在愈来愈多地出现闪烁晶体的身影，闪烁晶体与人们愈走愈近。 国际上，从事闪烁晶体的开发工作的单位很多，如俄罗斯的BTCP，乌克兰的Amcrys-H，法国Crismatec，德国的Korth, Molecular Technology，美国的Bicron，Optovac，Rexon和CTI，英国的Hilger-Crystals，日本的Ohyo Koken Koyo和Shin-EtsuChemical，捷克的Crytur，中国的SIC(上海硅酸盐所)和BGRI(北京玻璃研究院)等。目前，从生产规模上看俄罗斯BTCP和中国上海硅酸盐所处于领先水平。 国内从事闪烁晶体生长和性能研究的单位也很多，但具有批量生产能力的单位却为数不多。近十年来，北京玻璃研究院与上海硅酸盐所联合或各自独立地参与了多项国际高能物理工程，确立了中国在国际闪烁晶体领域的重要地位，并树立了良好的国际形象。 目前大批量生产的多数大尺寸闪烁晶体都是从熔体中生长的，采用的方法有Czochralski法(晶体提拉法)和Bridgnian-Stockbarger(坩埚下降法)。国外主要采用
光子晶体及其器件的研究进展
深圳大学研究生课程论文题目光子晶体及其器件的研究进展成绩 专业 课程名称、代码 年级姓名 学号时间2016年12月 任课教师
子晶体及其器件的研究进展 摘要：光子晶体是一种具有光子带隙的新型材料，通过设计可以人为调控经典波的传输。由 于光子晶体具有很多新颖的特性，使其成为微纳光子学和量子光学的重要研究领域。随着微加工技术的进步和理论的深入研究，光子晶体在信息光学以及多功能传感器等多个学科中也得到了广泛应用。本文介绍了光子晶体及其特征，概述了光子晶体器件的设计方法和加工制作流程，论述现阶段发展的几种光子晶体器件，并对光子晶体器件的发展趋势做了展望。 关键词：光子晶体；光子晶体的应用；发展趋势 Research progress of photonic crystals and devices Abstract：Photonic crystal is a new material with photonic band gap, which can regulate the transmission of classical wave artificially. Because it has many novel properties of photonic crystal, which is becoming an important research field of micro nano Photonics and quantum optics. With the progress of micro machining technology and theoretical research, photonic crystals have been widely used in many fields such as information optics and multifunction sensors. This paper introduces the photonic crystals and its characteristics, summarizes the design method and process of the photonic crystal devices in the production process, discusses several kinds of photonic crystal devices at this stage of development, and the development trend of photonic crystal devices is prospected. Key words：Photonic crystal; application of photonic crystal; development trend 1引言 在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路，推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。目前半导体技术正向着高速化和高集成化方向的发展，不可避免地引发了一系列问题。当信息处理的频率和信号带宽越来越高时，通过金属线传输电子会带来难以克服的发热问题和带宽限制；而线宽减小到深纳米尺度时，相邻导线的量子隧穿效应成为电子器件发展的重要瓶颈。这迫使人们越来越关注光信息处理技术，并尝试用光器件来替代部分传统电子器件，以突破上述瓶颈限制。实现这一目标的关键在于如何将光子器件尺寸降低至微纳米量级，并能与微电子电路集成在同一芯片上。 目前比较有效的方法有三种：纳米线波导，表面等离子体和光子晶体。其中，光子晶体具有体积小、损耗低和功能丰富等多种优点，被认为是最有前途的光子集成材料，称为光子半导体[1]，它是1987年才提出的新概念和新材料。这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动。由于其独特的特性，光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通讯上也有重要的用途，如用光子晶体器件来替代传统的电子器件，信息通讯的速度快得
晶体学和晶体材料研究的进展
晶体学和晶体材料研究的进展 作者：王皖燕博士 中国科学院物理研究所 随着计算机技术和激光技术的发展，人类已经走进了崭新的光电子时代；而实现这一巨大变化的物质基础不是别的，正是硅单晶和激光晶体。可以断言，晶体材料的进一步发展，必将谱写出人类科技文明的新篇章。 一、人类对晶体的认识过程及有关晶体的概念 1．人类对晶体的认识过程 什么是晶体?从古至今，人类一直在孜孜不倦地探索着这个问题。早在石器时代，人们便发现了各种外形规则的石头，并把它们做成工具，从而揭开了探求晶体本质的序幕。之后，经过长期观察，人们发现晶体最显著的特点就是具有规则的外形。 1669年，意大利科学家斯丹诺(Nicolaus Steno)发现了晶面角守恒定律，指出在同一物质的晶体中，相应晶面之间的夹角是恒定不变的。接着，法国科学家阿羽依(Rene Just Hauy)于1784年提出了著名的晶胞学说，使人类对晶体的认识迈出了一大步。根据这一学说，晶胞是构成晶体的最小单位，晶体是由大量晶胞堆积而成的。 1885年，这一学说被该国科学家布喇菲(A．Bravais)发展成空间点阵学说，认为组成晶体的原子、分子或离子是按一定的规则排列的，这种排列形成一定形式的空间点阵结构。1912年，德国科学家劳厄(Max van Lane)对晶体进行了X射线衍射实验，首次证实了这一学说的正确性，并因此获得了诺贝尔物理奖。 2．晶体的概念 具有空间点阵结构的物体就是晶体，空间点阵结构共有14种。例如，食盐的主要成份氯化钠(NaCl)具有面心立方结构，是一种常见的晶体。此外，许多金属(如钨、钼、钠、常温下的铁等)都具有体心立方结构，因而都属于晶体。 值得注意的是，在晶体中，晶莹透明的有很多，但是，并不是所有透明的固体都是晶体，如玻璃就不是晶体。这是因为，组成玻璃的质点只是在一个原子附近的范围内作有规则的排列，而在整个玻璃中并没有形成空间点阵结构。 3．天然晶体与人工晶体 晶体分成天然晶体和人工晶体。千百年来，自然界中形成了许多美丽的晶体，如红宝石、蓝宝石、祖母绿等，这些晶体叫做天然晶体。
NaITl闪烁晶体原理
附录一NaI(Tl)闪烁晶体 闪烁体按其化学性质可分为两类：一类是无机晶体闪烁体，通常是含有少量杂质(称为激活剂)的无机盐晶体，如碘化钠(铊激活)单晶体、即NaI(Tl)，碘化铯(铊激活)单晶体、即CsI(Tl)，硫化锌(银激活)、即ZnS(Ag)等；另一类是有机闪烁体，它们都是苯环碳氢化合物。闪烁体的发光机制比较复杂，在此对无机晶体闪烁体的发光机制作一些简要的定性介绍。 无机晶体闪烁体属离子型晶体，原子(离子)之间结合得比较紧密相互之间影响比较大，晶格中原子电子能级加宽成为一系列连续的能带。其中最低能量状态已为电子所填满，故称 为满带；价电子都处于稍高的能量状态，这种能带称为“价带”。若价带未填 满，则在外电场作用下将有净电流产生；若价带已填满，则必须有电子被激 发到更高的能带——导带上去，才能产生电流，此时价带上有一空穴，导带 上有一电子，即产生了一个自由电子——空穴对。价带与导带之间的空隙中 不存在电子能级，称为禁带；禁带有一宽度E g，它和晶体的导电性质密切相 关，导体在0.1eV左右，半导体在0.63—2.5eV之间，无机闪烁体为绝缘透 明物质，E g>3eV，NaI为7.0eV。 也存在另一种情况：在闪烁晶体中产生的电子——空穴对仍束缚着，称 为“激子”，它们在晶格中一起运动，在外电场中无净电流产生，其能带在导带之下，称为“激带”。自由的导带电子和价带空穴可以复合成激子，激子也可以吸收热运动能量变成自由电子——空穴对。 当核辐射进入闪烁体时，既可产生自由电子——空穴对，也可以产生激子。而后电子从导带或激带跃迁到价带，退激过程中放出光子；也存在着竞争过程——非辐射跃迁，即通过放热(晶格振动)退激。 有一点需要指出，纯的NaI晶体不是有效的闪烁体。一是因为相应禁带宽度的光子能量在紫外光围，不是可见光；二是退激发出的光子尚未逸出晶体就会被 晶体自身吸收。为了解决这一问题，在纯晶体中掺入少 量杂质原子(如Tl)，称为“激活剂”，它们成为发光中心， 形成一套激发能级，能量比导带低，而基态却比价带高， 这样跃迁产生的光子能量就比禁带宽度E g小，那么它 就不可能再使价带上的电子激发到导带上去，从而避免 自吸收。 碘化钠闪烁晶体能吸收外来射线能量使原子、分子 电离和激发，退激时发射出荧光光子。NaI(Tl)晶体的密 度较大(ρ=3.67g/cm3)，而且高原子序数的碘占重量的 85%，所以对γ射线的探测效率特别高，同时相对发光效率大；它的发射光谱最强波长为415nm左右，能与光电倍增管的光谱响应较好匹配。此外，晶体的透明性也很好，测量γ射线时能量分辨率也是闪烁体中较好的一种。 一个需要指出的问题是：在闪烁体的选取上要注意闪烁体对所测的粒子要有较大的阻止本领，以使入射粒子(特别是能量较大的粒子)在闪烁体中能损耗较多的能量而退激产生光子。原先使用的国产NaI(Tl)晶体尺寸为φ20×5mm，这一厚度对定标时测高能γ(E>1MeV)时的效率不够高，而且对高能β粒子的计数率也比较低；本装置的闪烁探测器采用的尺寸为φ20×20mm的NaI(Tl)晶体可以说是一大改进，一方面可以提高探测高能γ部分的效率，另一方面也提高了实验中高能β粒子的计数率。
闪烁晶体锗酸铋发光光谱的研究进展
１ 引言 锗酸铋是一种具有闪烁性能的人工合 成单晶，目前多指Ｂｉ ４Ｇｅ ３ Ｏ１ ２ 晶体，简称 ＢＧＯ。ＢＧＯ最先是由瑞士ＲＣＡ公司的Ｎｉｔｓｃｂｅ于１９６５年合成的 ［１］，１９７３年Ｗｅｂｅｒ和Ｍｏｃｈｍａｍｐ第一次发现了ＢＧＯ的闪烁性能［２］，Ｗｅｂｅｒ等人的研究表明ＢＧＯ晶体是一种性能优良的闪烁晶体，从而点燃了人们对ＢＧＯ晶体的研究热情。 ２晶体结构和闪烁性能 ＢＧＯ晶体属于立方晶系， 闪铋矿结构，其晶胞常数为１．０５ ｎｍ。其晶胞是由ＧｅＯ ４ －４四面体和Ｂｉ３＋组成的， 单位晶胞内包含４个 Ｂｉ ４Ｇｅ ３ Ｏ １２ 分子。Ｂｉ３＋离子处于六个ＧｅＯ ４ － ４四面体的空隙中，每个ＧｅＯ ４ －４四面体贡献一个Ｏ组成Ｂｉ３＋离子六配位氧的畸变八面体。 ＢＧＯ晶体密度大、熔点低、没有解 理面、易于生长。在物理方面，它具有 良好的光学性能。机械性能也很优异，比 如机械强度较高，硬度为５。压电性能良 好，光电转换效率高，热学性能稳定。在 化学性能方面，ＢＧＯ晶体不易潮解，虽溶 于盐酸或硝酸但不溶于水或有机溶剂。这 些特点使它非常适合做闪烁晶体［３］。和其他 闪烁晶体相比，其能量分辨率好，衰减时 间最短，辐照长度也是最小的［４］。ＢＧＯ晶 体发射光谱的中心位置在４８０ｎｍ，与探测 器的光谱相应匹配，再加上其无自然双折 射率、无旋光性的光学特点，使之更加接 近理想闪烁晶体。 ３ 稀土掺杂ＢＧＯ晶体的发光研究 ３．１热释光光谱研究 Ｓ Ｇ Ｒａｙｍｏｎｄ［５］对掺杂稀土元素的ＢＧＯ 晶体的低温光谱进行了研究（包括 Ｄｙ ２ Ｏ ３ 、Ｓｍ ２ Ｏ ３ 、Ｅｒ ２ Ｏ ３ 、Ｅｕ ２ Ｏ ３ 、 Ｔｂ ２ Ｏ ３ 、ＨＯ ２ Ｏ ３ 、Ｔｍ ２ Ｏ ３ 掺杂的ＢＧＯ晶 体），并分析了各发光峰可能对应的能级 跃迁。 Ｓｏ Ｚａｌｄｏ和Ｍｏｙａ［６］对掺杂ＢＧＯ的热释 光光谱做出解释，认为较宽的热发光波段 可能与氧原子格点的空穴有关。在低温 下，紫外线辐照可产生大量空穴并释放电 子，空穴随着温度的上升而变得不稳定， 而电子可以被某些Ｂｉ３＋离子捕获，从而产生 Ｂｉ２＋。随温度的升高，空穴既可以再次被 氧离子晶格所捕获，又可与Ｂｉ２＋再次结合， 产生激发态的Ｂｉ３＋离子，并且发光。 ３．２ 阴极发光光谱研究 Ｒ． Ｋｉｂａｒａ［７］等人对ＢＧＯ晶体在温度为 ３００Ｋ和４０Ｋ的阴极发光光谱进行了研究。 未掺杂的ＢＧＯ晶体发光中心波长为 ４９０ｎｍ，掺杂了Ｎｄ和Ｅｕ的ＢＧＯ晶体峰值 在４９０ｎｍ，５２０ｎｍ，５３８ｎｍ，并且４０Ｋ时 发光峰更为锐利。Ｒ． Ｋｉｂａｒａ等人的实验证 明稀土离子可以提供更为有效的辐射衰变方 式。 ３．３ 荧光光谱研究 Ｔ． Ｔｓｕｂｏｉ［８］等人对Ｅｕ３＋掺杂的ＢＧＯ晶 体的低温荧光光谱进行了研究。发现温度 在１６Ｋ时，在３９４ｎｍ和４６４ｎｍ出现很强的 吸收峰，另外还观察到一些弱的吸收峰。 当温度从１６Ｋ上升到室温２９６Ｋ时，所有吸 收谱线都有所左移，如５７９．４８ｎｍ上升到 ５７９．２１ｎｍ。在１０Ｋ下使用５７９．６９ｎｍ的光进 行激发，可以得到了一系列激发谱线。 Ｗｅｉ［９］等人在常温下对掺杂Ｅｕ的ＢＧＯ晶体 的光谱进行了研究，同样观察到了４６２ｎｍ 和３９４ｎｍ的两个强吸收峰。 ４ 发展前景 ４．１ 合成ＢＧＯ单晶纤维 近年来，纤维因其具有广泛的应用而 成为研究焦点，但由于受限于尚不成熟的 纤维单晶生长技术，纤维单晶的应用还有 待推广。据文献报道，Ｈ． Ｆａｒｈｉ［１０］等人已 经成功合成了ＢＧＯ单晶纤维，且其性能优 异，具有很好的应用前景。 ４．２ 增强ＢＧＯ晶体的吸收率 提高ＢＧＯ晶体对Ｘ射线、γ射线的吸 收能力，可以使ＢＧＯ探测器更广泛地应用 于工业生产、辐射探测以及医疗等领域。 增强ＢＧＯ晶体对中子的敏感程度，通过与 其他材料共同制成的探测器，可以应用于 对核材料辐射的探测和控制，无论军事还 是民用都具有重要意义。 ４．３ ＢＧＯ晶体的磁光特性的研究 ＢＧＯ晶体具有较强的磁光效应，其磁 光性能可以满足光纤电流传感器的需求， 另外，ＢＧＯ晶体还是性能优良的电光晶 体，使得电压与电流的传感可以结合为一 体。如果能够进一步利用同一块晶体来同 时测量高压线上的电流、电压和电功率， 闪烁晶体锗酸铋发光光谱的研究进展张昊１，２ 吴星艳１，２ 王亚芳１，２ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８９７２．２０１０．１９．０１３ 基金项目：中国地质大学（北京）本科生创新实验基金项目
薄膜高分子结晶形态及其生长机理研究进展
薄膜高分子结晶形态及其生长机理研究进展 任伊锦1,2*,马 禹1,章晓红2,胡文兵1 (1 南京大学化学化工学院配位化学国家重点实验室高分子科学与工程系,南京 210093; 2 安徽铜峰电子股份有限公司,铜陵 244000) 摘要:由于高分子薄膜和超薄膜的空间效应和界面效应显著,其结晶行为与本体相比具有很大的差别。本文综述了近年来关于高分子在薄膜和超薄膜中特殊结晶行为的研究进展,重点介绍了晶体取向与薄膜厚度的关系。随着膜厚的减小,界面吸附作用对侧立片晶的抑制作用增强,导致晶体取向由侧立转变为平躺。超薄膜中晶体生长受扩散机理控制,其形态不稳定,变为树枝状晶体。在超薄膜中晶体的生长速率随着膜厚的减小而减小,当膜厚小于片晶厚度时,减小的趋势变缓。 关键词:高分子薄膜;晶体取向;晶体形态不稳定性;扩散限制聚集;生长动力学 概述 近年来,结晶功能性高分子薄膜和超薄膜在电子和信息等高新技术产业的应用引起人们极大的关注[1~3]。对于结晶的高分子薄膜来说,其晶体形态对薄膜的物理和机械性能有很大的影响,所以研究高分子薄膜的结晶行为,既可以使我们更加深入地理解高分子结晶的本质,也有利于我们通过调控晶体结构来优化高分子薄膜的性能[4,5]。 高分子结晶过程是分子链的自我排列规整化的过程。熔体中无序高分子链调整序列并吸附在初级核的侧表面上,由于动力学因素优先形成亚稳态折叠链片晶[6,7]。这些片晶通过连续分叉最终形成各向同性的球晶结构[8]。此过程的晶体生长动力学,一般认为是由Lauritzen和H offman提出的次级成核理论所控制,即表面成核动力学所决定[9,10],其中球晶半径随时间是线性变化关系,生长速率恒定[11~13]。 高分子本体的结晶过程较为简单,而高分子受限在纳米级的薄膜(厚度在100~1000nm)和超薄膜(厚度<100nm)中[14],薄膜与基板间的界面相互作用即界面效应,以及尺寸受限的空间效应,导致了分子链运动方式的改变和运动能力的减弱,其结晶性能与本体截然不同。目前人们主要研究了结晶链段的排列取向、晶体形态和生长动力学,它们都强烈地依赖于薄膜厚度和结晶温度。人们也提出了一些受限晶体生长的控制机理。本文对近年来有关高分子薄膜和超薄膜的结晶形态和晶体生长动力学的研究进展做一概述,希望对今后这方面的研究有所帮助。 1 高分子薄膜和超薄膜的结晶形态 高分子晶体的基本形态是折叠链片晶,但是在不同的生长环境下其堆砌方式可以差别很大,从本体中的球晶、轴晶和串晶,到稀溶液中具有规则几何形状的单晶,结晶形态结构丰富多彩[15]。而在高分子薄膜和超薄膜中,由于晶体生长空间受到限制以及界面作用的影响,多数只能得到片晶尺度的有序形态,且随着薄膜厚度的减小,片晶的取向和生长前沿的稳定性发生改变,导致生成更加复杂的晶体形态。 1 1 晶体取向 高分子薄膜中片晶的取向一般以处于薄膜下表面的基板为参考方向,存在典型的侧立(edge on)片 基金项目:国家自然科学基金委资助(20674036和20825415); 作者简介:任伊锦(1978-),女,博士后,主要从事高分子薄膜结晶行为的研究; *通讯作者,E mail:r eny ijin@https://www.360docs.net/doc/c64943945.html,.