專利名稱：摻鈰鋁酸镥鋁酸釔的復合閃爍晶體材料及其制備方法
技術領域：
本發明是一種摻鈰鋁酸镥鋁酸釔的復合閃爍晶體材料及其制備方法，具體地涉及到在摻鈰鋁酸釔襯底單晶片上生長一層摻鈰鋁酸镥的復合閃爍晶體材料CeLuAlO3和CeYAlO3(簡稱CeLuAP和CeYAP)。
背景技術：
由于Ce離子摻雜的高溫氧化物閃爍晶體，如CeLu2SiO5(CeLSO)，CeLuAlO3(CeLuAP)，CeGd2SiO5(CeGSO)，CeY2SiO5(CeYSO)，CeYAlO3(CeYAP)等，具有較高的光輸出，快衰減等特點，因而用Ce摻雜的不同高溫閃爍晶體做成復合閃爍探測材料對提高增電子斷層掃描(PET)的時間和空間分辨率，使PET掃描器小型化以及多功能化具有重要的作用。
1997年M.Dahlbom等人用CeYSO和CeLSO復合成的三明治探測器用于單光子發射斷層掃描-正電子斷層掃描器(SPET-PET)中以增加PET的功能(參見IEEE Trans.Nucl.Sci.第3期，第44卷，1997年第1114頁)。1998年M.Schmand等人將CeLSO和CeGSO做成了三明治探測器用于PET系統中以縮小掃描器的體積并降低成本(參見IEEE Trans.Nucl.Sci.第45卷，1998年第3000頁，并參見William W.Moses于2001年發表在Nuclear Instruments andMethods in Physics Research A.第471卷第212頁)。
在先技術的三明治閃爍材料都是通過光學耦合劑或者直接疊合而成，有明顯缺點(1)由于光學耦合劑與單晶體的失配，使得光損耗大，從而降低器件的分辨率；(2)需要先生長高質量的含镥體單晶(如CeLSO或CeLuAP)，而這些體單晶本身生長就比較困難、價格昂貴；(3)由于Ce離子的分凝效應，采用在先技術獲得的含CeLSO和CeLuAP等晶體的三明治復合材料的均勻性差、重復性低等。
發明內容
本發明的目的，是將CeLuAP和CeYAP兩種優良的閃爍晶體材料做成復合閃爍晶體材料CeLuAP和CeYAP，為克服在先技術的三明治制備方法所帶來的光損耗大、均勻性差、重復性低和成本高等缺點，本發明采用液相外延法與頂部籽晶法相結合的方法制備CeLuAP和CeYAP復合閃爍晶體材料。
本發明中的復合閃爍晶體材料的特征是，由晶面方向為<100>或<010>的CeYAP的襯底單晶片(厚度為0.3～30mm)以及生長在其上的一層CeLuAP單晶薄膜(厚度為1微米到10mm)構成的復合閃爍晶體材料。
本發明CeLuAP和CeYAP復合閃爍晶體材料的制備方法，是從含有CeLuAP多晶料培養基的飽和溶液中，在CeYAlO3襯底晶片與溶液接觸的界面上生長較厚(mm量級)的CeLuAlO3單晶薄膜。具體地說，就是采用電阻加熱的液相外延爐(LPE)，結合頂部籽晶溶液技術(TSST)生長單晶的工藝原理，將襯底作為大面積的籽晶，通過合理的溫場設計使溶液內具有大溫度梯度的溫場，通過高速旋轉和緩慢提拉，在CeYAP襯底晶片上生長均勻性好的從微米到毫米量級厚的CeLuAP單晶薄膜。
本發明所用的復合閃爍晶體材料的生長裝置見圖1，是一種電阻加熱液相外延爐(LPE爐)，它的結構主要包括爐體3，爐體3下部是主爐體301，爐體3上部是退火爐體302。在爐體301內，中央置有坩堝11，坩堝11與爐體3同中心軸線。在坩堝11內垂直于中心軸線的中間位置上有帶孔擋板12。生長時，多晶料培養基10放在坩堝11內帶孔擋板12下面，而助溶劑溶液9放在坩堝11內帶孔擋板12的上面。從爐體3頂上伸下有旋轉提拉桿6，在旋轉提拉桿6的下端有襯底夾具7，在襯底夾具7上置放襯底晶片8。旋轉提拉桿6與爐體3同中心軸線。坩堝11內帶孔擋板12的作用主要是防止溶液中的培養基漂浮到固液界面處以影響單晶薄膜的質量。在主爐體301的坩堝11周圍有側面發熱體2，坩堝11的底下有下發熱體13。在側面發熱體2和下發熱體13的外圍均有絕熱層15。在下發熱體13下面絕緣層下有能夠調節坩堝11高低的底托14。在爐體3上部的退火爐體302內有上側面發熱體5。在主爐體301中有下測溫熱電耦1，在退火爐體30中有上測溫熱電耦4。
本發明裝置中，關鍵在于主爐體301內有側面發熱體2和下發熱體13，同時在爐體3上面也設置一個退火爐體302，退火爐體302內有上側面發熱體5，主爐體301內側面發熱體2與下發熱體13加熱控溫相互獨立。這種結構能夠使爐內獲得具有如圖2所示的溫場分布坩堝11內下部溫度高，而上面溫度低(上下溫差為30～80℃左右)。這種溫場分布有利于溶液中CeLuAP多晶料培養基的傳輸，當下方的多晶料培養基飽和溶液由于溶液中的溫度梯度形成的對流傳輸至溶液上方的低溫區，此時變為過飽和溶液，過剩的溶質就會在襯底晶片上沉析出形成單晶薄膜。這種結構可以使CeLuAP晶體在恒溫下穩定地生長在CeYAP襯底晶片上，從而獲得均勻性好的單晶薄膜。爐體3內的退火爐使得生長完畢的CeLuAP和CeYAP在相同條件下消除材料中的熱應力，以提高復合閃爍晶體材料的均勻性并防止開裂等。
制備本發明復合閃爍晶體材料的具體步驟如下<1>采用上述裝置如圖1所示的電阻加熱液相外延爐，首先將CeLuAP多晶料培養基10裝入坩堝11內的帶孔擋板12下面，將PbO與B2O3的助熔劑溶液9或者Bi2O3與B2O3助熔劑溶液9裝入坩堝11內的帶孔擋板12上面。調整坩堝11的位置使其處于爐體3中央。其中助熔劑溶液的組分配比為10～13mol的PbO和1mol B2O3，或8～12molBi2O3和1～3mol的B2O3；<2>將晶面方向為<100>或<010>的CeYAP襯底晶片8(厚度為0.3～30mm)置入襯底夾具7內，調整旋轉提拉桿6使其處于坩堝11的同心位置上；<3>以100℃/Hr的升溫速度升溫至1000～1100℃，熔融CeLuAP多晶料培養基10，待全部溶解后，將襯底晶片8下降到離助溶劑溶液面3～5mm處，在溫度為1100℃時，恒溫3～5小時；<4>調整主爐體301的側面發熱體2的功率使坩堝11內帶孔擋板12上面的溫度為850～950℃，同時調整下發熱體13的功率使坩堝11內下部帶孔擋板下面溫度處在900～1000℃，再恒溫1～3小時，然后下降旋轉提拉桿6使襯底晶片8與助溶劑溶液面接觸，使旋轉提拉桿6以100～200r/min速度高速旋轉，同時以1～10mm/day速度緩慢提拉進行結晶生長。根據所需要薄膜的厚度，調節相應的生長時間；<5>結晶完成后，進行退火，將襯底晶片與沉析在其上的單晶薄膜一起由旋轉提拉桿6提拉至爐體3上部的退火爐體302內的發熱區內，調整上發熱體的功率使其溫度在900℃恒溫5小時后，以50℃/hr速度降溫至室溫，退火完畢。
如上所述，用本發明中的生長裝置以及相應的工藝步驟還可以用來制備CeLSO/CeGSO等復合閃爍探測材料。需要進一步說明的是，利用本發明中的制備方法能夠制備多層(三層或多于三層)的三明治復合閃爍晶體材料。
本發明與在先技術相比，一方面，與在先技術制備的CeLSO/CeYSO，CeLSO/CeGSO等Ce離子摻雜的高溫復合閃爍晶體材料相比，由于CeLuAP是目前Ce離子摻雜的高溫閃爍單晶體中時間衰減常數最快(18ns)，密度最大(8.34g/cm3)，同時CeYAP也是優良的閃爍單晶體，所以本發明的將其兩種單晶生長在一起的復合閃爍晶體材料CeLuAP和CeYAP將大大提高探測射線的分辨率，同時還可以縮小器件的體積。另一方面，與在先技術的三明治探測材料的制備方法相比，本發明利用改進的液相外延法與頂部籽晶法相結合的制備方法能夠克服在先技術三明治制備方法中所帶來的均勻性差，重復性低等缺點，大大降低了生產成本。本發明適宜批量生產，滿足探測器件制造上的市場需求。
圖1是本發明制備復合閃爍晶體材料所用的生長裝置剖面示意圖。
圖2是采用圖1所示生長裝置坩堝11里溶液內的溫場分布曲線示意圖。
具體實施例方式用上述生長液相外延和頂部籽晶生長法以及具體的生長工藝步驟制備CeLuAP和CeYAP。所選用的電阻加熱液相外延爐如圖1所示的裝置，主爐體301內的坩堝11為鉑金坩堝，帶孔擋板12為帶孔的鉑金板。
按照上述的制備工藝步驟<1>將燒結好的多晶料CeLuAP培養基10碎塊400g裝入Φ80x80mm的鉑金坩堝11內的帶孔鉑金擋板12下面，同時將混合均勻的助熔劑11mol的PbO和1mol的B2O3約1100g放入坩堝11內的帶孔擋板12上面；按工藝步驟<2>將尺寸為Φ30x5mm，晶面方向為<010>的CeYAP襯底晶片8置于襯底夾具7內，并將襯底夾具7裝入旋轉提拉桿6下端上，調整坩堝11與襯底晶片8的位置使其同心，并且都處于主爐體301的中央同中心軸線；按上述工藝步驟<3>將爐體301升溫至1100℃，培養基10處于熔融狀態并恒溫3hr；按上述工藝步驟<4>將襯底晶片8的位置調整到離上述助溶劑溶液面4mm處分別調整主爐體301的側面發熱體2和下發熱體13的功率，坩堝11內下部即帶孔擋板12下面的溫度為920℃，帶孔擋板12上面即助熔劑溶液下面的液面的溫度為870℃，進行恒溫約1.5小時后，下降旋轉提拉桿6使襯底晶片8與助溶劑溶液面接觸，并使旋轉提拉桿6邊以120r/min速度高速旋轉，邊以2mm/day的速度提拉，開始結晶生長，恒溫生長48小時后，提離襯底晶片及其上的單晶薄膜，至此結晶完成；按上述工藝步驟<5>進行退火，將生長的CeLuAP和CeYAP提拉至爐體3上方退火爐體302的發熱區內，在900℃溫度下恒溫10小時后，以30℃/hr速度降溫至室溫，退火完畢。所生長的CeLuAP和CeYAP復合閃爍晶體材料具有較高的均勻性。在核物理、核技術以及高能物理探測等領域有著廣闊的應用背景。
權利要求
1.一種摻鈰鋁酸镥鋁酸釔的復合閃爍晶體材料，其特征在于是由在晶面方向為<100>或<010>的CeYAlO3單晶片的襯底上生長一層CeLuAlO3單晶薄膜構成的復合閃爍晶體材料。
2.根據權利要求1所述的摻鈰鋁酸镥鋁酸釔的復合閃爍晶體材料的制備方法，其特征在于是采用液相外延法與頂部籽晶法相結合的制備方法，具體的步驟是<1>所采用的生長裝置是含有爐體(3)分成下部是主爐體(301)，上部是退火爐體(302)的電阻加熱液相外延爐，首先將CeLuAlO3多晶料培養基(10)裝入主爐體(301)內的坩堝(11)里的帶孔擋板(12)下面，將配比為10～13mol的PbO和1mol的B2O3，或配比為8～12mol的Bi2O3和1～3mol的B2O3的助溶劑溶液(9)裝入坩堝(11)里帶孔擋板(12)的上面；<2>將晶面方向為<100>或<010>的CeYAlO3襯底晶片(8)置入上述主爐體(301)內的旋轉提拉桿(6)下端的襯底夾具(7)上，并調整旋轉提拉桿(6)位于坩堝(11)內的同心位置上；<3>以100℃/小時的升溫速度使主爐體(301)內的溫度達到1000～1100℃，熔融CeLuAlO3多晶料培養基(10)，待全部溶解后，將上述襯底晶片(8)下降到離坩堝(11)里助溶劑溶液(9)的液面3～5mm處，在溫度為1100℃時，恒溫3～5小時；<4>調節主爐體(301)內的側面發熱體(2)功率，使坩堝(11)內帶孔擋板(12)上面的溫度為850～950℃，同時調整下發熱體(13)的功率使坩堝(11)內下部帶孔擋板(2)下面的溫度處在溫度為900～1000℃，再保溫1～3小時，然后下降旋轉提拉桿(6)以100～200轉/分的速度旋轉，同時以1～10毫米/天的速度提拉，進行結晶生長；<5>結晶完成后，進行退火，將襯底晶片與沉析在上面的單晶薄膜一起由旋轉提拉桿(6)提拉至爐體(3)上部的退火爐體(302)內的發熱區內，調整上側面發熱體(5)的功率，使其溫度達到900℃時，恒溫5小時后，以50℃/小時的速度降至室溫，退火結束。
3.根據權利要求2所述的摻鈰鋁酸镥鋁酸釔的復合閃爍晶體材料的制備方法，其特征在于所說的電阻加熱液相外延爐，主要包括爐體(3)，爐體(3)的上部是主爐體(301)，爐體(3)的下部是退火爐體(302)；在主爐體(301)內的中央位置上與爐體(3)同中心軸線地置有坩堝(11)，在坩堝(11)內垂直于中心軸線的中間位置上置有帶孔擋板(12)，從爐體(3)的頂上與爐體(3)同中心軸線地伸進爐體(3)內有旋轉提拉桿(6)，旋轉提拉桿(6)的下端有置放襯底晶片(8)的襯底夾具(7)；在坩堝(11)的周圍有側面發熱體(2)，在坩堝(11)的底下有下發熱體(13)，在側面發熱體(2)和下發熱體(13)的周圍均有絕熱層(15)，在下發熱體(13)底面絕熱層下有能夠調節坩堝(11)高低的底托(14)；在爐體(3)上部的退火爐體(302)內有上側面發熱體(5)。
全文摘要
一種摻鈰鋁酸镥鋁酸釔的復合閃爍晶體材料及其制備方法，復合閃爍晶體材料是由Ce∶YAlO
文檔編號C30B29/10GK1390987SQ0213622
公開日2003年1月15日 申請日期2002年7月26日 優先權日2002年7月26日
發明者徐軍, 趙廣軍, 宋海智 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所