一种量子点复合闪烁体材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种量子点复合闪烁体材料及其制备方法，包括有机塑料基质以及分散在有机塑料基质中的有机高原子序数材料、有机发光体及量子点发光材料，有机高原子序数材料的含量为1‑5wt％，有机发光体的含量为5‑15wt％，量子点发光材料的含量为10‑20wt％。与现有技术相比，本发明通过高原子序数材料的掺入实现了对高能光子阻止本领的提高，通过建立基质材料与量子点材料的能量传递过程，最终实现了量子点发光材料在辐射激发下的高闪烁效率。

权利要求

1.一种量子点复合闪烁体材料，其特征在于，该材料包括有机塑料基质以及分散在有机塑料基质中的有机高原子序数材料、有机发光体及量子点发光材料，所述的有机高原子序数材料的含量为1-5wt％，

所述的有机发光体的含量为5-15wt％，

所述的量子点发光材料的含量为10-20wt％；

所述的有机塑料基质为PS、PMMA或PVT中的一种，所述的有机高原子序数材料为有机铅、有机铋或有机镥中的一种，所述的有机发光体包括p-TP、PPO或PBD中的一种。

2.根据权利要求1所述的一种量子点复合闪烁体材料，其特征在于，所述的有机高原子序数材料为二烷基铅、三烷基铅、四烷基铅、羧酸铋或氯化双(环戊二烯基)镥。

3.根据权利要求1所述的一种量子点复合闪烁体材料，其特征在于，所述的有机发光体的波长范围为340-380nm。

4.根据权利要求1所述的一种量子点复合闪烁体材料，其特征在于，所述的量子点发光材料为单核量子点和/或核壳结构量子点，量子点发光材料的尺寸为2-10nm，发光范围为

400-750nm。

5.根据权利要求4所述的一种量子点复合闪烁体材料，其特征在于，所述的单核量子点为CdSe或CdTe，所述的核壳结构量子点为CdSe/ZnS、CdTe/ZnS或CdTe/CdS。

6.如权利要求1所述的量子点复合闪烁体材料的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)将减压蒸馏过的有机塑料基质、有机高原子序数材料、有机发光体分散在非极性溶液量子点发光材料在厌氧瓶中，抽真空并冲入氮气，并采用超声混合；

(2)在恒温箱中30-35℃时保温90-100小时，然后缓慢升温至40-50℃并保持50-60小时，然后再次缓慢升温至100-110℃并保持50-60小时，使之完全聚合固化，最后自然冷却至室温；

(3)从厌氧瓶中取出样品并切割抛光即可获得最终样品。

7.根据权利要求6所述的一种量子点复合闪烁体材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)的升温速率控制在2-3℃/h。

说明书

一种量子点复合闪烁体材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于核辐射探测领域，尤其是涉及一种量子点复合闪烁体材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 核辐射探测在高能物理实验、核物理实验、核医学成像、宇宙线探测、同步辐射应用、武器研究、反恐安检、核应急处置等方面具有重要作用，其中包含了诸多涉及国家安全和大科学装置的重大需求。核辐射探测包括对各种带电粒子(如电子、质子、α粒子、裂变碎片)、中性粒子(如中子)和高能光子(如X射线和γ射线)进行时间分辨、能量分辨、空间分辨和粒子甄别测量。在众多的核辐射探测装置中闪烁探测器由于具有效率高、灵敏体积大等优点成为使用最广泛的探测方法之一。

[0003] 闪烁探测器的基本原理是由核辐射与闪烁体相互作用，闪烁体吸收了辐射粒子的能量后产生可见光-近紫外光发射(称作闪烁发光)，闪烁发光被光电倍增管等光电器件收集并转换成电信号，由电子学系统记录，便可实现对辐射的探测。闪烁发光过程包括辐射粒子能量转换、次级电子激发、电子热化、发光中心激发和光发射，整个闪烁过程包含了辐射粒子的信息，因此对闪烁光的反演即可实现对辐射的认知。

[0004] 闪烁体的发展制约着探测系统能力的提升，传统闪烁体在探测效率、探测能力、成本等方面的发展相对滞后，迫切需要开发满足辐射探测需求的新型闪烁体材料。发光量子点材料作为高量子效率发光材料在照明显示等领域发挥着重要的作用，量子点的发光波长可以通过量子点的尺寸加以调节，更有利于其发光光谱与探测器件的相应匹配。但直接采用发光量子点材料作为闪烁体还存在诸多技术问题需要解决。例如量子点产品都是分散在溶液中的颗粒，在作为闪烁体材料时需要制备出高密度的块体材料。Letant,S.E.等人发展了方法可以将量子点材料分散在多孔材料中实现块体材料的闪烁应用(Semiconductor Quantum Dot Scintillation under Gamma-Ray Irradiation,Nano Letters,vol.6,pp.2877-2880(2006))。然而该材料探测效率不高，主要原因是多孔材料密度较低，多孔材料基质本身与量子点之间无关联耦合，基质材料对伽马射线等辐射的能量吸收无法传递到量子点。

发明内容

[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种解决发光量子点在闪烁应用中的效率问题，通过建立基质材料与量子点发光材料的能量传递过程，大幅度提高其闪烁效率的量子点复合闪烁体材料及其制备方法。

[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0007] 一种量子点复合闪烁体材料，包括有机塑料基质以及分散在有机塑料基质中的有机高原子序数材料、有机发光体及量子点发光材料，

[0008] 所述的有机高原子序数材料的含量为1-5wt％，

[0009] 所述的有机发光体的含量为5-15wt％，

[0010] 所述的量子点发光材料的含量为10-20wt％。

[0011] 所述的有机塑料基质为PS、PMMA或PVT中的一种。

[0012] 所述的有机高原子序数材料为有机铅、有机铋或有机镥中的一种。

[0013] 优选地，有机高原子序数材料为二烷基铅、三烷基铅、四烷基铅、羧酸铋或氯化双(环戊二烯基)镥。

[0014] 所述的有机发光体包括p-TP、PPO或PBD中的一种，有机发光体的波长范围为340-380nm。

[0015] 所述的量子点发光材料为单核量子点和/或核壳结构量子点，量子点发光材料的尺寸为2-10nm，发光范围为400-750nm。

[0016] 所述的单核量子点为CdSe或CdTe，所述的核壳结构量子点为CdSe/ZnS、CdTe/ZnS或CdTe/CdS。

[0017] 量子点复合闪烁体材料的制备方法，采用以下步骤：

[0018] (1)将减压蒸馏过的有机塑料基质、有机高原子序数材料、有机发光体分散在非极性溶液量子点发光材料在厌氧瓶中，抽真空并冲入氮气，并采用超声混合；

[0019] (2)在恒温箱中30-35℃时保温90-100小时，然后缓慢升温至40-50℃并保持50-60小时，然后再次缓慢升温至100-110℃并保持50-60小时，使之完全聚合固化，最后自然冷却至室温；

[0020] (3)从厌氧瓶中取出样品并切割抛光即可获得最终样品。

[0021] 步骤(2)的升温速率控制在2-3℃/h。

[0022] 塑料基质与掺入物质共同吸收辐射能量，其中掺入的有机发光剂在辐射作用下具有高的发光量子效率，但是这些发光剂的发射波长位于紫外线，因此不利于直接用于闪烁探测，其发射的能量可以直接激发量子点发光材料，产生可见区的发光，有利于光电倍增管等探测设备接受。由于塑料基质的密度低，原子序数小，不利于对高能伽马射线的吸收，因为为了增强材料对伽马射线的吸收，加入高原子序数材料铅、铋或镥。其闪烁发光及其能量传递过程具体如下：LUMO和HOMO分别是能带结构的最低非占据态和最高占据态，当X射线或伽马射线激发样品时，以基质材料为主的电子能带结构会在高能光子的激发下，产生大量空穴型或电子型自由载流子，当掺入高原子序数材料时，通过产生电子对效应或康普顿效应或光电效应，对高能光子的阻止本领将显著增强，从而可以将更多的能量用于产生自由载流子，提高能量转换效率。这些自由载流子可以通过能量传递激发量子点发光，也可以通过有机发光体作为能量传递的媒质，实现自由载流子到有机发光体到量子点发光体的能量传递和转换过程。材料中，由于有机发光体的发光波长比量子点发光波长短(发射光子能量高)，因此从有机发光体到量子点发光的能量传递属于典型的高效率下转换过程。该材料组分设计，即考虑了对高能辐射光子的有效吸收，又最大限度的通过能量传递，实现了闪烁体发光的高效率。

[0023] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0024] (1)通过高原子序数材料的掺入实现了对高能光子阻止本领的提高，通过建立基质材料与量子点材料的能量传递过程，最终实现了量子点发光材料在辐射激发下的高闪烁效率。

[0025] (2)该材料可以较廉价地批量生产，易于推广应用。

附图说明

[0026] 图1为实施例1的x射线激发发光光谱。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0028] 实施例1

[0029] 取减压蒸馏过的2g苯乙烯(styrene)、40mg二烷基铅、200mg有机发光剂p-TP、折合固含量为200mg的油溶性量子点CdSe/ZnS发光材料(取10ml液体，每毫升含量为20mg)。在厌氧瓶中，抽真空并冲入氮气，并采用超声混合2小时。在恒温箱中30℃时保温100小时，然后缓慢升温(2℃/h)至50℃并保持50小时，然后再次缓慢升温(2℃/h)至100℃并保持50小时，使之完全聚合固化。最后自然冷却至室温。从厌氧瓶中取出样品并切割抛光即可获得最终样品。

[0030] 为了充分说明铅、有机发光剂的引入对于闪烁特性的影响，我们同时制备了只包含铅和量子点的样品(对比样品1)和只包含有机发光剂和量子点的样品(对比样品2)。

[0031] 采用硬X射线激发样品采集的发射谱，图1所示。结果表明按照上述设计的样品具有很好的发光强度，只包含铅和量子点的样品(对比样品1)和只包含有机发光剂和量子点的样品(对比样品2)具有更好的发光强度。

[0032] 实施例2

[0033] 一种量子点复合闪烁体材料，包括有机塑料基质PS以及分散在有机塑料基质中的有机高原子序数材料、有机发光体及量子点发光材料，其中，采用的有机高原子序数材料为二烷基铅，含量为1wt％，有机发光体为p-TP，波长范围为340-380nm，含量为5wt％，量子点发光材料为CdSe，尺寸为2nm，发光范围为400-750nm，含量为10wt％。

[0034] 量子点复合闪烁体材料的制备方法，采用以下步骤：

[0035] (1)将减压蒸馏过的有机塑料基质、有机高原子序数材料、有机发光体分散在非极性溶液量子点发光材料在厌氧瓶中，抽真空并冲入氮气，并采用超声混合；

[0036] (2)在恒温箱中30℃时保温100小时，然后控制升温速率为2℃/h，缓慢升温至40℃并保持60小时，然后控制升温速率为2℃/h，再次缓慢升温至100℃并保持60小时，使之完全聚合固化，最后自然冷却至室温；

[0037] (3)从厌氧瓶中取出样品并切割抛光即可获得最终样品。

[0038] 实施例3

[0039] 一种量子点复合闪烁体材料，包括有机塑料基质PMMA以及分散在有机塑料基质中的有机高原子序数材料、有机发光体及量子点发光材料，其中，采用的有机高原子序数材料为羧酸铋，含量为3wt％，有机发光体为PPO，波长范围为340-380nm，含量为10wt％，量子点发光材料为核壳结构量子点为CdSe/ZnS，尺寸为5nm，发光范围为400-750nm，含量为15wt％。

[0040] 量子点复合闪烁体材料的制备方法，采用以下步骤：

[0041] (1)将减压蒸馏过的有机塑料基质、有机高原子序数材料、有机发光体分散在非极性溶液量子点发光材料在厌氧瓶中，抽真空并冲入氮气，并采用超声混合；

[0042] (2)在恒温箱中30℃时保温100小时，然后控制升温速率为3℃/h，缓慢升温至40℃并保持60小时，然后控制升温速率为3℃/h，再次缓慢升温至100℃并保持60小时，使之完全聚合固化，最后自然冷却至室温；

[0043] (3)从厌氧瓶中取出样品并切割抛光即可获得最终样品。

[0044] 实施例4

[0045] 一种量子点复合闪烁体材料，包括有机塑料基质PVT以及分散在有机塑料基质中的有机高原子序数材料、有机发光体及量子点发光材料，其中，采用的有机高原子序数材料为氯化双(环戊二烯基)镥，含量为5wt％，有机发光体为PBD，波长范围为340-380nm，含量为15wt％，量子点发光材料为核壳结构量子点为CdTe/CdS，尺寸为10nm，发光范围为400-
750nm，含量为20wt％。

[0046] 量子点复合闪烁体材料的制备方法，采用以下步骤：

[0047] (1)将减压蒸馏过的有机塑料基质、有机高原子序数材料、有机发光体分散在非极性溶液量子点发光材料在厌氧瓶中，抽真空并冲入氮气，并采用超声混合；

[0048] (2)在恒温箱中35℃时保温90小时，然后控制升温速率为3℃/h，缓慢升温至50℃并保持50小时，然后控制升温速率为3℃/h，再次缓慢升温至110℃并保持50小时，使之完全聚合固化，最后自然冷却至室温；

[0049] (3)从厌氧瓶中取出样品并切割抛光即可获得最终样品。

[0050] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。