Сильно люминесцентный сцинтилляционный гетероген

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3504 (2022 г.) Цитировать эту статью

5106 Доступов

20 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Большие излучатели с быстрым стоксовским сдвигом демонстрируют незначительную реабсорбцию своей люминесценции, что весьма желательно для ряда приложений, таких как флуоресцентная визуализация, управление солнечным светом и изготовление чувствительных сцинтилляционных детекторов для медицинской визуализации и высокоскоростных экспериментов по физике высоких энергий. Здесь мы получаем высокоэффективную люминесценцию со значительным стоксовским сдвигом, используя флуоресцентные строительные блоки из сопряженных аценов, расположенные в нанокристаллах. Два лиганда с одинаковой молекулярной длиной и связностью, но с взаимодополняющими электронными свойствами, совместно собираются окси-гидрокси-кластерами циркония, образуя кристаллические нанокристаллы гетеролигандного металлоорганического каркаса (MOF). Диффузия синглетных экситонов внутри MOF и согласование свойств поглощения и излучения лигандов позволяют сверхбыстро активировать низкоэнергетическое излучение в масштабе времени 100 пс. Гибридные нанокристаллы демонстрируют квантовую эффективность флуоресценции ~60% и стоксов сдвиг до 750 мэВ (~6000 см-1), что подавляет реабсорбцию излучения также в объемных устройствах. Изготовленный прототип быстрого сцинтиллятора нанокомпозита демонстрирует эталонные характеристики, которые конкурируют с характеристиками некоторых неорганических и органических коммерческих систем.

Стоксов сдвиг является важным свойством люминесцентных материалов, определяемым как разность энергий (ΔE) между максимумом полосы поглощения и максимумом спектра излучения1. Значение ΔE является ключевым параметром в фотонных устройствах и приложениях, поскольку в первом приближении оно позволяет напрямую оценить, будет ли на излучатель воздействовать значительное обратное поглощение генерируемого света. Например, если значение ΔE ниже или аналогично ширине полосы спектров поглощения и излучения, последующий внутренний эффект обширного внутреннего фильтра может сильно ограничивать светотехнические характеристики объемных фотонных устройств, а в худших случаях он также может влияют на кинетику генерации люминесценции2,3,4. И наоборот, если ΔE значительно больше, чем ширина полосы спектра, другими словами, перекрытие между полосами поглощения и излучения сведено к минимуму или совершенно незначительно, систему можно рассматривать как большой излучатель со стоксовым сдвигом, который работает как сдвигатель длины волны без эффектов внутреннего фильтра ( рис. 1а). Эти материалы, не допускающие реабсорбции, весьма желательны для ряда применений. Например, при флуоресцентной визуализации большие оптические датчики со стоксовым сдвигом позволяют получать высококонтрастные изображения с ограниченным количеством рассеянного света, возбуждающего возбуждение, избегая использования дорогих фильтрующих компонентов или трудоемкой постобработки изображений5, 6. Для солнечных применений, несомненно, необходимы большие излучатели стоксовского сдвига. наиболее перспективные материалы для создания люминесцентных солнечных концентраторов без реабсорбции конденсированного излучения7. Точно так же чувствительность сцинтилляционных детекторов к ионизирующему излучению значительно выиграет от использования быстрых излучателей без реабсорбции8, демонстрирующих хорошую интенсивность светового потока без влияния на время сцинтилляционного импульса, как того требуют самые передовые методы медицинской визуализации, такие как измерение времени летная позитронно-эмиссионная томография (ToF-PET)9 и эксперименты по высокоскоростной физике высоких энергий (HEP). Обширная недавняя литература в области полупроводниковых нанокристаллов свидетельствует об очень актуальном интересе к большим эмиттерам стоксова сдвига. В этих материалах, например, ΔE можно настроить путем легирования полупроводников электронными примесями10, что приводит к появлению внутрищелевых состояний, из которых возникает красносмещенная люминесценция. Заметное значение ΔE, достигающее 1 эВ, может быть достигнуто11, но в настоящее время нерешенным недостатком является медленная кинетика люминесценции, которая ограничивает их использование для приложений быстрого измерения времени в наносекундном масштабе времени и ниже12,13,14. Более того, в фотонных устройствах, где предусмотрена быстрая синхронизация, традиционные преобразователи длины волны, использующие радиационную передачу энергии, не могут быть использованы из-за последующего замедления излучаемого светового импульса.