專利名稱：伽瑪?shù)饣瘉嗐~超快x射線閃爍轉(zhuǎn)換屏的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備具有超快閃爍性能的伽瑪?shù)饣瘉嗐~(化學(xué)式Y(jié) -CuI)超快X射線轉(zhuǎn)換屏的制備方法，所研制的閃爍轉(zhuǎn)換屏可用于數(shù)字化特別是數(shù)字化超高速X射線成像等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
閃爍轉(zhuǎn)換屏在數(shù)字化X射線成像中具有重要應(yīng)用，隨著X射線閃光照相、激光慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)等超高速X射線成像技術(shù)的發(fā)展，普通的無(wú)機(jī)閃爍轉(zhuǎn)換屏已難以滿足測(cè)量的需求，為此近年來(lái)各國(guó)越來(lái)越關(guān)注于具有超快時(shí)間響應(yīng)的新型閃爍轉(zhuǎn)換屏的研究。伽瑪?shù)饣瘉嗐~(Y-CuI)是一種寬禁帶半導(dǎo)體，室溫條件下在420-430nm存在有衰減時(shí)間約為0. 27ns的閃爍成分，該成分的響應(yīng)時(shí)間比BaF2的快成份還快3倍，是目前所知的最快的無(wú)機(jī)閃爍材料之一。盡管Y -CuI材料的光產(chǎn)額比CsI (Tl)低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，但在t ( 0. Ins時(shí)·間內(nèi)所發(fā)出的光子數(shù)比CsI (H)材料的高40倍，因而是一種具有重要應(yīng)用前景的超快閃爍轉(zhuǎn)換屏材料。根據(jù)已有報(bào)道，關(guān)于CuI薄膜的制備方法主要有磁控濺射法、熱蒸發(fā)法、脈沖激光沉積法、噴霧法、碘化法等。具體有1996年Takeshi Tanaka等采用磁控派射法制備了厚度約IOOnm的CuI薄膜，研究了濺射功率、偏置電壓等對(duì)薄膜I/Cu比、透射率和電導(dǎo)率的影響；1998年K. Tennakone等人通過CuI乙腈溶液浸潰涂層法制備了厚度約10 y m的CuI薄膜，研究了碘摻雜和燒結(jié)溫度對(duì)薄膜電導(dǎo)率的影響；2000年A. Tanji等采用熱蒸發(fā)法在聚甲基丙烯酸甲酯薄膜襯底制備了六角鉛鋅礦結(jié)構(gòu)CuI微晶，并研究了其激子的量子限制效應(yīng)和非線性發(fā)光性能；2003年P(guān). M. Sirimanne等分別應(yīng)用脈沖激光沉積法(PLD)、銅膜氣氛碘化法(IC)和CuI飽和乙腈溶液溶劑蒸發(fā)法(SE)制備了 CuI薄膜，并研究了薄膜的透射、微結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率和陰極射線發(fā)光等性能，所獲得薄膜的結(jié)構(gòu)為Y相多晶，晶面擇優(yōu)取向?yàn)?111)，晶粒尺寸分別為20-40nm (PLD),-IOOnm (IC)和1.5iim (SE，不含表面活性劑)，膜厚分別為IOOnm (PLD)、150nm (IC)和1.5um (SE)，且后兩種方法所制備的薄膜表面比較粗糙。同年V. P. S. Perera等通過CuI乙腈溶液噴霧法在鍍有染料層的TiO2薄膜上制備了厚度約10 ii m的CuI薄膜，并研究了表面碘對(duì)薄膜417nm發(fā)光和染料敏化固態(tài)太陽(yáng)能電池開路電壓的影響；2004年B. V. Andryushechkin等采用銅膜氣氛碘化法(IC)在Cu(100)和(111)晶面上研究了 CuI薄膜的生長(zhǎng)習(xí)性，特別是飽和化學(xué)吸附碘單層界面對(duì)CuI類Moir6超結(jié)構(gòu)的影響；2005年Yang Yang等將CuI乙腈溶液與P _環(huán)式糊精、二甲基甲酰胺混合，通過溶劑蒸發(fā)法制備了( 111)晶面擇優(yōu)取向CuI/ 3 -環(huán)式糊精無(wú)機(jī)/有機(jī)組合膜，并研究了二甲基甲酰胺、P -環(huán)式糊精對(duì)CuI表面形貌、晶面取向、微結(jié)構(gòu)、吸收光譜和光致發(fā)射光譜的影響。綜上所述，盡管就CuI薄膜的研究而言國(guó)內(nèi)外已有一些報(bào)道，但關(guān)注點(diǎn)主要在其電導(dǎo)率、太陽(yáng)能電池應(yīng)用、薄膜生長(zhǎng)習(xí)性、陰極射線和光致發(fā)光等方面，作為X射線閃爍轉(zhuǎn)換屏的g-Cul薄膜制備國(guó)內(nèi)外尚未見有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有超快閃爍性能的伽瑪?shù)饣瘉嗐~(化學(xué)式Y(jié)-CuDX射線轉(zhuǎn)換屏的制備方法。本發(fā)明提出的一種具有超快閃爍性能的伽瑪?shù)饣瘉嗐~(化學(xué)式Y(jié) -CuDX射線轉(zhuǎn)換屏的制備方法，以CuI為原料，以石英基片等為襯底，采用真空熱蒸鍍技術(shù)，通過蒸鍍溫度、襯底溫度、退火處理等的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)換屏閃爍性能、結(jié)構(gòu)和形貌的優(yōu)化。具體步驟如下
I)將襯底放入丙酮中超聲清洗，然后放置于濃硫酸溶液中加熱煮沸，隨后用熱去離子水多次沖洗襯底，超凈風(fēng)干后干燥保存。2)將洗凈的襯底固定在蒸鍍室內(nèi)上方的工件架上，然后將稱取的CuI粉末置于蒸鍍舟內(nèi)，蒸鍍舟位于襯底的正下方，蒸鍍舟與襯底之間用擋板擋住，控制蒸鍍舟與襯底間的距離15cm-10cm,·
3)打開真空泵，使蒸鍍室內(nèi)的真空度為0.IXlO-3Pa - 4. OX KT3Pa ；
4)工件架配有加熱及旋轉(zhuǎn)設(shè)備，在抽真空過程中可調(diào)整襯底溫度，襯底溫度為室溫_250°C ;在開始蒸鍍薄膜前使工件架以45-75rpm的轉(zhuǎn)速勻速旋轉(zhuǎn)；
5)待真空度及襯底溫度達(dá)到平衡后，打開蒸鍍舟加熱電源，將蒸鍍舟加熱至380-470 0C，并保持溫度不變。6)待蒸鍍舟達(dá)到預(yù)定溫度步驟5)的溫度后，使工件架以45_75rpm的轉(zhuǎn)速勻速旋轉(zhuǎn)并打開擋板，開始蒸發(fā)，通過測(cè)厚儀在線測(cè)量所制備轉(zhuǎn)換屏的薄膜厚度，待膜厚達(dá)到預(yù)定要求后，關(guān)閉擋板、蒸鍍舟電源、襯底加熱電源和工件架轉(zhuǎn)動(dòng)電源。7)真空環(huán)境自然冷卻至室溫后關(guān)閉真空泵，取出Y-CuI薄膜。8)將Y-CuI薄膜置于退火裝置中進(jìn)行碘退火，退火溫度為室溫至250°C，退火時(shí)間為0. I-IOh,自然冷卻后，置于干燥避光處儲(chǔ)存。圖I為所制備的Y-CuI超快X射線閃爍轉(zhuǎn)換屏實(shí)物圖例。本發(fā)明中，步驟I)所述的襯底可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整，如采用石英基片、單晶硅片、藍(lán)寶石片等。步驟2)中CuI原料的用量由所需制備的轉(zhuǎn)換屏薄膜厚度確定，并與蒸鍍舟和襯底間的距離有關(guān)，若要制備微米至百微米量級(jí)厚度的Y-CuI轉(zhuǎn)換屏，原料用量通常約在幾克至幾百克之間，制備厚度較厚的轉(zhuǎn)換屏，可通過多次蒸鍍完成。步驟4)和5)中所用的加熱設(shè)備使用控溫系統(tǒng)，能保持溫度穩(wěn)定不變，保證鍍膜過程的穩(wěn)定性；蒸鍍溫度、襯底溫度可調(diào)控轉(zhuǎn)換屏材料的化學(xué)劑量比、微柱的形貌和結(jié)晶性能，微柱的線寬在微米量級(jí)，晶面擇優(yōu)取向分別為(111)。本發(fā)明提供一種制備伽瑪?shù)饣瘉嗐~超快X射線閃爍轉(zhuǎn)換屏的方法。以高純CuI為原料，采用真空熱蒸鍍法和氣氛退火工藝，通過選擇合適的蒸鍍溫度、襯底溫度、退火處理等工作窗口，在石英襯底上制備Y-CuI閃爍轉(zhuǎn)換屏，所獲得的轉(zhuǎn)換屏晶型為Y相，微觀形貌呈垂直于襯底的微柱狀結(jié)構(gòu)，有利于抑制閃爍光的側(cè)向傳播，閃爍峰位于430nm,發(fā)光衰減時(shí)間為亞納秒量級(jí)，該薄膜組分穩(wěn)定、厚度均勻、無(wú)開裂，在超高速數(shù)字化X射線成像方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值。


圖I所制備g-Cul超快X射線閃爍轉(zhuǎn)換屏實(shí)物圖例。圖2實(shí)施例I中測(cè)得的閃爍轉(zhuǎn)換屏斷面的掃描電鏡照片。圖3實(shí)施例I中測(cè)得的閃爍轉(zhuǎn)換屏X射線衍射譜圖。圖4實(shí)施例2中測(cè)得的閃爍轉(zhuǎn)換屏X射線激發(fā)發(fā)射光譜。圖5實(shí)施例2中測(cè)得的閃爍轉(zhuǎn)換屏發(fā)光衰減時(shí)間譜圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體的實(shí)施實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
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實(shí)施例I :
直徑為30_的石英襯底分別用丙酮、濃硫酸和去離子水超聲清洗后，超凈風(fēng)干后固定在工件架上。把5. Og的CuI粉末放入鑰蒸鍍舟內(nèi)，開始抽真空。將襯底加熱至200°C，待蒸鍍室真空度〈4. OX 10_3Pa時(shí)，開始加熱蒸鍍舟至440°C，然后打開工件架轉(zhuǎn)動(dòng)電源，設(shè)置轉(zhuǎn)速為60rmp，再打開擋在蒸鍍舟上方的擋板，開始蒸鍍薄膜。原料蒸發(fā)完畢，關(guān)閉蒸鍍舟加熱、襯底加熱和工件架轉(zhuǎn)動(dòng)的電源。轉(zhuǎn)換屏在真空環(huán)境中自然冷卻至室溫后關(guān)閉真空閥，充入氮?dú)狻ｉW爍轉(zhuǎn)換屏斷面的掃描電鏡照片見附圖2，X射線衍射譜見附圖3。實(shí)驗(yàn)顯示轉(zhuǎn)換屏厚度約為13.6iim，可多次蒸鍍以達(dá)到所需要的膜厚；微柱排列有序，其線寬在2-5i!m不等，晶面擇優(yōu)取向?yàn)?111)。實(shí)施例2:
直徑為30_的石英襯底分別用丙酮、濃硫酸和去離子水超聲清洗后，超凈風(fēng)干后固定在工件架上。把2. Og的CuI粉末放入蒸鍍舟內(nèi)，開始抽真空。將襯底加熱至180°C，待蒸鍍室真空度〈4. 0 X 10_3Pa時(shí)，開始加熱蒸鍍舟至420°C，然后打開工件架轉(zhuǎn)動(dòng)電源，設(shè)置轉(zhuǎn)速為60rmp，再打開擋在蒸鍍舟上方的擋板，開始蒸鍍薄膜。原料蒸發(fā)完畢，關(guān)閉蒸鍍舟加熱、襯底加熱和工件架轉(zhuǎn)動(dòng)的電源。轉(zhuǎn)換屏在真空環(huán)境中自然冷卻至室溫后關(guān)閉真空閥，充入氮?dú)狻悠啡〕霾⒅糜谕嘶鹧b置中進(jìn)行碘退火，退火溫度為160°C，退火時(shí)間為5h，自然冷卻至室溫。閃爍轉(zhuǎn)換屏X射線激發(fā)發(fā)射光譜見附圖4，閃爍轉(zhuǎn)換屏發(fā)光衰減時(shí)間譜見附圖5。實(shí)驗(yàn)顯示轉(zhuǎn)換屏的閃爍光峰位于430nm，發(fā)光衰減時(shí)間約為0. 48ns，沒有其他慢的閃爍成分。
權(quán)利要求
1.一種具有超快閃爍性能的伽瑪?shù)饣瘉嗐~X射線轉(zhuǎn)換屏的制備方法，其特征在于伽瑪?shù)饣瘉嗐~化學(xué)式Y(jié)-Cul，具體步驟如下 1)將襯底放入丙酮中超聲清洗，然后放置于濃硫酸溶液中加熱煮沸，隨后用熱去離子水沖洗襯底，超凈風(fēng)干后干燥保存； 2)將洗凈的襯底固定在蒸鍍室內(nèi)上方的工件架上，然后將稱取的CuI粉末置于蒸鍍舟內(nèi)，蒸鍍舟位于襯底的正下方，蒸鍍舟與襯底之間用擋板擋住，控制蒸鍍舟與襯底間的距離:15cm_10cm, 3)打開真空泵，使蒸鍍室內(nèi)的真空度為0.IXlO-3Pa - 4. OX KT3Pa ； 4)工件架配有加熱及旋轉(zhuǎn)設(shè)備，在抽真空過程中可調(diào)整襯底溫度，襯底溫度為室溫_250°C ;在開始蒸鍍薄膜前使工件架以45-75rpm的轉(zhuǎn)速勻速旋轉(zhuǎn)； 5)待真空度及襯底溫度達(dá)到平衡后，打開蒸鍍舟加熱電源，將蒸鍍舟加熱至380-470 0C，并保持溫度不變； 6)待蒸鍍舟達(dá)到預(yù)定溫度步驟5)的溫度后，使工件架以45-75rpm的轉(zhuǎn)速勻速旋轉(zhuǎn)并打開擋板，開始蒸發(fā)，通過測(cè)厚儀在線測(cè)量所制備轉(zhuǎn)換屏的薄膜厚度，待膜厚達(dá)到預(yù)定要求后，關(guān)閉擋板、蒸鍍舟電源、襯底加熱電源和工件架轉(zhuǎn)動(dòng)電源； 7)真空環(huán)境自然冷卻至室溫后關(guān)閉真空泵，取出Y-CuI薄膜； 8)將Y-CuI薄膜置于退火裝置中進(jìn)行碘退火，退火溫度為室溫至250°C，退火時(shí)間為0.1-IOh,自然冷卻后，置于干燥避光處儲(chǔ)存。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟I)所述的襯底采用石英基片、單晶硅片或藍(lán)寶石片中任一種。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制備伽瑪?shù)饣瘉嗐~超快X射線閃爍轉(zhuǎn)換屏的方法。以高純CuI為原料，采用真空熱蒸鍍法和氣氛退火工藝，通過選擇合適的蒸鍍溫度、襯底溫度、退火處理等工作條件，在石英等襯底上制備γ-CuI閃爍轉(zhuǎn)換屏，所獲得的轉(zhuǎn)換屏晶型為γ相，微觀形貌呈垂直于襯底的微柱狀結(jié)構(gòu)，有利于抑制閃爍光的側(cè)向傳播，閃爍峰位于430nm，發(fā)光衰減時(shí)間為亞納秒量級(jí)，該薄膜組分穩(wěn)定、厚度均勻、無(wú)開裂，在超高速數(shù)字化X射線成像方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明適合于工業(yè)化生產(chǎn)，推廣應(yīng)用價(jià)值高。
文檔編號(hào)C23C14/06GK102787296SQ20121028256
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月20日
發(fā)明者倪晨, 劉小林, 劉波, 夏明 , 顧牡, 黃世明 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)