專利名稱：摻鈰鋁酸镥鋁酸釔的復(fù)合閃爍晶體材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種摻鈰鋁酸镥鋁酸釔的復(fù)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(zhǎng)一層摻鈰鋁酸镥的復(fù)合閃爍晶體材料CeLuAlO3和CeYAlO3(簡(jiǎn)稱CeLuAP和CeYAP)。
背景技術(shù)：
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(diǎn)，因而用Ce摻雜的不同高溫閃爍晶體做成復(fù)合閃爍探測(cè)材料對(duì)提高增電子斷層掃描(PET)的時(shí)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(fù)合成的三明治探測(cè)器用于單光子發(fā)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(jiàn)IEEE Trans.Nucl.Sci.第3期，第44卷，1997年第1114頁(yè))。1998年M.Schmand等人將CeLSO和CeGSO做成了三明治探測(cè)器用于PET系統(tǒng)中以縮小掃描器的體積并降低成本(參見(jiàn)IEEE Trans.Nucl.Sci.第45卷，1998年第3000頁(yè)，并參見(jiàn)William W.Moses于2001年發(fā)表在Nuclear Instruments andMethods in Physics Research A.第471卷第212頁(yè))。
在先技術(shù)的三明治閃爍材料都是通過(guò)光學(xué)耦合劑或者直接疊合而成，有明顯缺點(diǎn)(1)由于光學(xué)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(zhǎng)高質(zhì)量的含镥體單晶(如CeLSO或CeLuAP)，而這些體單晶本身生長(zhǎng)就比較困難、價(jià)格昂貴；(3)由于Ce離子的分凝效應(yīng)，采用在先技術(shù)獲得的含CeLSO和CeLuAP等晶體的三明治復(fù)合材料的均勻性差、重復(fù)性低等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，是將CeLuAP和CeYAP兩種優(yōu)良的閃爍晶體材料做成復(fù)合閃爍晶體材料CeLuAP和CeYAP，為克服在先技術(shù)的三明治制備方法所帶來(lái)的光損耗大、均勻性差、重復(fù)性低和成本高等缺點(diǎn)，本發(fā)明采用液相外延法與頂部籽晶法相結(jié)合的方法制備CeLuAP和CeYAP復(fù)合閃爍晶體材料。
本發(fā)明中的復(fù)合閃爍晶體材料的特征是，由晶面方向?yàn)?amp;lt;100>或<010>的CeYAP的襯底單晶片(厚度為0.3～30mm)以及生長(zhǎng)在其上的一層CeLuAP單晶薄膜(厚度為1微米到10mm)構(gòu)成的復(fù)合閃爍晶體材料。
本發(fā)明CeLuAP和CeYAP復(fù)合閃爍晶體材料的制備方法，是從含有CeLuAP多晶料培養(yǎng)基的飽和溶液中，在CeYAlO3襯底晶片與溶液接觸的界面上生長(zhǎng)較厚(mm量級(jí))的CeLuAlO3單晶薄膜。具體地說(shuō)，就是采用電阻加熱的液相外延爐(LPE)，結(jié)合頂部籽晶溶液技術(shù)(TSST)生長(zhǎng)單晶的工藝原理，將襯底作為大面積的籽晶，通過(guò)合理的溫場(chǎng)設(shè)計(jì)使溶液內(nèi)具有大溫度梯度的溫場(chǎng)，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)和緩慢提拉，在CeYAP襯底晶片上生長(zhǎng)均勻性好的從微米到毫米量級(jí)厚的CeLuAP單晶薄膜。
本發(fā)明所用的復(fù)合閃爍晶體材料的生長(zhǎng)裝置見(jiàn)圖1，是一種電阻加熱液相外延爐(LPE爐)，它的結(jié)構(gòu)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(nèi)，中央置有坩堝11，坩堝11與爐體3同中心軸線。在坩堝11內(nèi)垂直于中心軸線的中間位置上有帶孔擋板12。生長(zhǎng)時(shí)，多晶料培養(yǎng)基10放在坩堝11內(nèi)帶孔擋板12下面，而助溶劑溶液9放在坩堝11內(nèi)帶孔擋板12的上面。從爐體3頂上伸下有旋轉(zhuǎn)提拉桿6，在旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)提拉桿6與爐體3同中心軸線。坩堝11內(nèi)帶孔擋板12的作用主要是防止溶液中的培養(yǎng)基漂浮到固液界面處以影響單晶薄膜的質(zhì)量。在主爐體301的坩堝11周圍有側(cè)面發(fā)熱體2，坩堝11的底下有下發(fā)熱體13。在側(cè)面發(fā)熱體2和下發(fā)熱體13的外圍均有絕熱層15。在下發(fā)熱體13下面絕緣層下有能夠調(diào)節(jié)坩堝11高低的底托14。在爐體3上部的退火爐體302內(nèi)有上側(cè)面發(fā)熱體5。在主爐體301中有下測(cè)溫?zé)犭婑?，在退火爐體30中有上測(cè)溫?zé)犭婑?。
本發(fā)明裝置中，關(guān)鍵在于主爐體301內(nèi)有側(cè)面發(fā)熱體2和下發(fā)熱體13，同時(shí)在爐體3上面也設(shè)置一個(gè)退火爐體302，退火爐體302內(nèi)有上側(cè)面發(fā)熱體5，主爐體301內(nèi)側(cè)面發(fā)熱體2與下發(fā)熱體13加熱控溫相互獨(dú)立。這種結(jié)構(gòu)能夠使?fàn)t內(nèi)獲得具有如圖2所示的溫場(chǎng)分布坩堝11內(nèi)下部溫度高，而上面溫度低(上下溫差為30～80℃左右)。這種溫場(chǎng)分布有利于溶液中CeLuAP多晶料培養(yǎng)基的傳輸，當(dāng)下方的多晶料培養(yǎng)基飽和溶液由于溶液中的溫度梯度形成的對(duì)流傳輸至溶液上方的低溫區(qū)，此時(shí)變?yōu)檫^(guò)飽和溶液，過(guò)剩的溶質(zhì)就會(huì)在襯底晶片上沉析出形成單晶薄膜。這種結(jié)構(gòu)可以使CeLuAP晶體在恒溫下穩(wěn)定地生長(zhǎng)在CeYAP襯底晶片上，從而獲得均勻性好的單晶薄膜。爐體3內(nèi)的退火爐使得生長(zhǎng)完畢的CeLuAP和CeYAP在相同條件下消除材料中的熱應(yīng)力，以提高復(fù)合閃爍晶體材料的均勻性并防止開(kāi)裂等。
制備本發(fā)明復(fù)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(yǎng)基10裝入坩堝11內(nèi)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(nèi)的帶孔擋板12上面。調(diào)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?yàn)?amp;lt;100>或<010>的CeYAP襯底晶片8(厚度為0.3～30mm)置入襯底夾具7內(nèi)，調(diào)整旋轉(zhuǎn)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(yǎng)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(shí)，恒溫3～5小時(shí)；<4>調(diào)整主爐體301的側(cè)面發(fā)熱體2的功率使坩堝11內(nèi)帶孔擋板12上面的溫度為850～950℃，同時(shí)調(diào)整下發(fā)熱體13的功率使坩堝11內(nèi)下部帶孔擋板下面溫度處在900～1000℃，再恒溫1～3小時(shí)，然后下降旋轉(zhuǎn)提拉桿6使襯底晶片8與助溶劑溶液面接觸，使旋轉(zhuǎn)提拉桿6以100～200r/min速度高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)以1～10mm/day速度緩慢提拉進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)。根據(jù)所需要薄膜的厚度，調(diào)節(jié)相應(yīng)的生長(zhǎng)時(shí)間；<5>結(jié)晶完成后，進(jìn)行退火，將襯底晶片與沉析在其上的單晶薄膜一起由旋轉(zhuǎn)提拉桿6提拉至爐體3上部的退火爐體302內(nèi)的發(fā)熱區(qū)內(nèi)，調(diào)整上發(fā)熱體的功率使其溫度在900℃恒溫5小時(shí)后，以50℃/hr速度降溫至室溫，退火完畢。
如上所述，用本發(fā)明中的生長(zhǎng)裝置以及相應(yīng)的工藝步驟還可以用來(lái)制備CeLSO/CeGSO等復(fù)合閃爍探測(cè)材料。需要進(jìn)一步說(shuō)明的是，利用本發(fā)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(fù)合閃爍晶體材料。
本發(fā)明與在先技術(shù)相比，一方面，與在先技術(shù)制備的CeLSO/CeYSO，CeLSO/CeGSO等Ce離子摻雜的高溫復(fù)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(shí)間衰減常數(shù)最快(18ns)，密度最大(8.34g/cm3)，同時(shí)CeYAP也是優(yōu)良的閃爍單晶體，所以本發(fā)明的將其兩種單晶生長(zhǎng)在一起的復(fù)合閃爍晶體材料CeLuAP和CeYAP將大大提高探測(cè)射線的分辨率，同時(shí)還可以縮小器件的體積。另一方面，與在先技術(shù)的三明治探測(cè)材料的制備方法相比，本發(fā)明利用改進(jìn)的液相外延法與頂部籽晶法相結(jié)合的制備方法能夠克服在先技術(shù)三明治制備方法中所帶來(lái)的均勻性差，重復(fù)性低等缺點(diǎn)，大大降低了生產(chǎn)成本。本發(fā)明適宜批量生產(chǎn)，滿足探測(cè)器件制造上的市場(chǎng)需求。


圖1是本發(fā)明制備復(fù)合閃爍晶體材料所用的生長(zhǎng)裝置剖面示意圖。
圖2是采用圖1所示生長(zhǎng)裝置坩堝11里溶液內(nèi)的溫場(chǎng)分布曲線示意圖。
具體實(shí)施例方式用上述生長(zhǎng)液相外延和頂部籽晶生長(zhǎng)法以及具體的生長(zhǎng)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(nèi)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(jié)好的多晶料CeLuAP培養(yǎng)基10碎塊400g裝入Φ80x80mm的鉑金坩堝11內(nèi)的帶孔鉑金擋板12下面，同時(shí)將混合均勻的助熔劑11mol的PbO和1mol的B2O3約1100g放入坩堝11內(nèi)的帶孔擋板12上面；按工藝步驟<2>將尺寸為Φ30x5mm，晶面方向?yàn)?amp;lt;010>的CeYAP襯底晶片8置于襯底夾具7內(nèi)，并將襯底夾具7裝入旋轉(zhuǎn)提拉桿6下端上，調(diào)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(yǎng)基10處于熔融狀態(tài)并恒溫3hr；按上述工藝步驟<4>將襯底晶片8的位置調(diào)整到離上述助溶劑溶液面4mm處分別調(diào)整主爐體301的側(cè)面發(fā)熱體2和下發(fā)熱體13的功率，坩堝11內(nèi)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(jìn)行恒溫約1.5小時(shí)后，下降旋轉(zhuǎn)提拉桿6使襯底晶片8與助溶劑溶液面接觸，并使旋轉(zhuǎn)提拉桿6邊以120r/min速度高速旋轉(zhuǎn)，邊以2mm/day的速度提拉，開(kāi)始結(jié)晶生長(zhǎng)，恒溫生長(zhǎng)48小時(shí)后，提離襯底晶片及其上的單晶薄膜，至此結(jié)晶完成；按上述工藝步驟<5>進(jìn)行退火，將生長(zhǎng)的CeLuAP和CeYAP提拉至爐體3上方退火爐體302的發(fā)熱區(qū)內(nèi)，在900℃溫度下恒溫10小時(shí)后，以30℃/hr速度降溫至室溫，退火完畢。所生長(zhǎng)的CeLuAP和CeYAP復(fù)合閃爍晶體材料具有較高的均勻性。在核物理、核技術(shù)以及高能物理探測(cè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用背景。
權(quán)利要求
1.一種摻鈰鋁酸镥鋁酸釔的復(fù)合閃爍晶體材料，其特征在于是由在晶面方向?yàn)?amp;lt;100>或<010>的CeYAlO3單晶片的襯底上生長(zhǎng)一層CeLuAlO3單晶薄膜構(gòu)成的復(fù)合閃爍晶體材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻鈰鋁酸镥鋁酸釔的復(fù)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(jié)合的制備方法，具體的步驟是<1>所采用的生長(zhǎng)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(yǎng)基(10)裝入主爐體(301)內(nèi)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?yàn)?amp;lt;100>或<010>的CeYAlO3襯底晶片(8)置入上述主爐體(301)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)提拉桿(6)下端的襯底夾具(7)上，并調(diào)整旋轉(zhuǎn)提拉桿(6)位于坩堝(11)內(nèi)的同心位置上；<3>以100℃/小時(shí)的升溫速度使主爐體(301)內(nèi)的溫度達(dá)到1000～1100℃，熔融CeLuAlO3多晶料培養(yǎng)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(shí)，恒溫3～5小時(shí)；<4>調(diào)節(jié)主爐體(301)內(nèi)的側(cè)面發(fā)熱體(2)功率，使坩堝(11)內(nèi)帶孔擋板(12)上面的溫度為850～950℃，同時(shí)調(diào)整下發(fā)熱體(13)的功率使坩堝(11)內(nèi)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(shí)，然后下降旋轉(zhuǎn)提拉桿(6)以100～200轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)以1～10毫米/天的速度提拉，進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)；<5>結(jié)晶完成后，進(jìn)行退火，將襯底晶片與沉析在上面的單晶薄膜一起由旋轉(zhuǎn)提拉桿(6)提拉至爐體(3)上部的退火爐體(302)內(nèi)的發(fā)熱區(qū)內(nèi)，調(diào)整上側(cè)面發(fā)熱體(5)的功率，使其溫度達(dá)到900℃時(shí)，恒溫5小時(shí)后，以50℃/小時(shí)的速度降至室溫，退火結(jié)束。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的摻鈰鋁酸镥鋁酸釔的復(fù)合閃爍晶體材料的制備方法，其特征在于所說(shuō)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(nèi)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(nèi)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(jìn)爐體(3)內(nèi)有旋轉(zhuǎn)提拉桿(6)，旋轉(zhuǎn)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(cè)面發(fā)熱體(2)，在坩堝(11)的底下有下發(fā)熱體(13)，在側(cè)面發(fā)熱體(2)和下發(fā)熱體(13)的周圍均有絕熱層(15)，在下發(fā)熱體(13)底面絕熱層下有能夠調(diào)節(jié)坩堝(11)高低的底托(14)；在爐體(3)上部的退火爐體(302)內(nèi)有上側(cè)面發(fā)熱體(5)。
全文摘要
一種摻鈰鋁酸镥鋁酸釔的復(fù)合閃爍晶體材料及其制備方法，復(fù)合閃爍晶體材料是由Ce∶YAlO
文檔編號(hào)C30B29/10GK1390987SQ0213622
公開(kāi)日2003年1月15日 申請(qǐng)日期2002年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月26日
發(fā)明者徐軍, 趙廣軍, 宋海智 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所