【会员论文】Opt. Express丨同济大学唐慧丽教授：解析掺杂β-Ga₂O₃超快闪烁晶体中增强闪烁特性的机制

        在飞行时间正电子发射断层扫描（TOF-PET）、高能物理实验及激光核聚变诊断等领域，急需具有亚纳秒响应速度和高光产额的超快闪烁体。作为超宽禁带半导体，β-Ga₂O₃ 具有本质的超快激子发光特性。然而，未掺杂（UID）的氧化镓晶体存在光产额低、慢分量占比高的问题，限制了其在高性能探测领域的实际应用。通过在晶格中引入特定杂质原子，可以调节材料的能带结构和激子动力学。铟（In）作为同族元素，其离子半径略大于镓（Ga），进入晶格后能引起局域畸变，有望改善电荷传输和发光效率。

        β-Ga₂O₃ 是一种极具前景的超快半导体闪烁体，但其效率受限于低光产率和缓慢衰减成分。本文采用光学浮区法生长出高质量的 β-Ga₂O₃:In 单晶。In³⁺ 掺杂使带隙缩小（4.76 eV 降至 4.72 eV），红移光致发光波长，增强电子-声子耦合并加速复合过程，其蓝光至紫外光能量转移的活化能达 91 meV。相较于无意掺杂（UID）β-Ga₂O₃，β-Ga₂O₃:In 单晶在 662 keV γ 射线照射下展现出显著提升的光产额： 在 662 keV γ 射线与 5.5 MeV α 射线激发下，其体单晶分别展现出 (3348±310) 光子/MeV与 (5664±710) 光子/5.5 MeV 的光产额提升，采用 Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO) 作为参考闪烁体，同时呈现显著加速的纳秒级衰减特性。性能提升归因于增强的电荷传输与载流子复合效率，彰显其在超快辐射探测领域的应用潜力。

        首次明确了 In 掺杂在 β-Ga₂O₃ 中同时实现增亮与加速的协同效应，打破了传统材料中光产额与响应速度往往不可兼得的僵局。

        通过建立物理模型，定量计算出蓝色发光中心向紫外发光中心转换所需的激活能，解释了 In 如何通过诱导晶格畸变来疏通载流子复合路径。

        证明了 In 原子进入晶格后引起的局域电荷密度重新分布，强化了电子与声子的相互作用，这种作用是提升超快半导体闪烁体效率的新途径。

        成功合成了高质量的 β-Ga₂O₃:In 体单晶，并系统研究了其发光与闪烁特性。约 1 at% 的 In³⁺ 掺杂使带隙降低 0.04 eV。紫外发光（UVL）和蓝光发光（BL）呈现出明显的电子-声子耦合，有效声子能量分别为 38 和 44 meV；增强的 UVL-BL 能量转移（E_a2=91 meV）导致异常的热 BL 增强效应。In³⁺ 掺杂同时提升了闪烁性能。在 662 keV γ 射线激发下，以商用 BGO 闪烁体为基准，光产额从 (2797±270) 提升至 (3348±310) 光子/MeV，同时保持快速成分 (≈4ns)，慢速成分则从 331.3 ns (84.3%) 缩短至 148.5 ns (73.0%)。在 5.5 MeV α 射线激发下，β-Ga₂O₃:In 展现出高于 UID β-Ga₂O₃（5428±650 ph/5.5 MeV）的光产额（5664±710 ph/5.5 MeV），同时快成分占比增加而慢成分贡献降低。通过整合能带结构变化与载流子路径的综合模型，成功解释了光产率增强与衰减加速现象。本研究为 β-Ga₂O₃:In 发光机制提供了基础性认识，并凸显其在超快闪烁体及先进光电子应用领域的潜力。

图1. (a) β-Ga₂O₃ 晶体结构示意图。(b) Ga³⁺ 被 In³⁺ 替代过程示意图。(c) UID β-Ga₂O₃ 与 β-Ga₂O₃:In 晶体粉末的 XRD 衍射图谱。(d) β-Ga₂O₃:In 的 XPS 图谱。(e) β-Ga₂O₃:In 的高分辨率 Ga 2p 图谱。(f) β-Ga₂O₃:In 的高分辨率 In 3d 图谱。(g) β-Ga₂O₃:In 的 EDS 扫描谱及其对应的定量原子比例分析（插图）。(h) β-Ga₂O₃:In 的 EDS 元素映射图，显示 O、Ga 和 In 元素的均匀分布。(i) UID β-Ga₂O₃ 与 β-Ga₂O₃:In 的拉曼光谱。

图2. UID β-Ga₂O₃ 与 β-Ga₂O₃:In 的发光特性。(a) UID β-Ga₂O₃ 与 β-Ga₂O₃:In 的光吸收光谱及对应的 Tauc 图（插图）。(b) UID β-Ga₂O₃ 与 β-Ga₂O₃:In 的发光光谱（激发波长 λ_ex=260 nm）。(c) UID β-Ga₂O₃ 与 (d) β-Ga₂O₃:In 的 PL 光谱峰值解卷积拟合。(e) UID β-Ga₂O₃ 与 (f) β-Ga₂O₃:In 的 PL 及光致发光激发 (PLE) 等高线图。UID β-Ga₂O₃ 与 β-Ga₂O₃:In 的 PL 衰减曲线，分别在 (g) 100 ns 时间尺度和 (h) 2000 ns 时间尺度下测得（激发波长 λ_ex=254 nm，发射波长 λ_em =370 nm）。

图3. UID β-Ga₂O₃ 的温度依赖性 (a) 激发光谱与 (b) 磷光光谱。UID β-Ga₂O₃ 的 (c) 紫外激光半高宽与 (d) 磷光强度的拟合结果。温度依赖性（e）激发光谱、（f）β-Ga₂O₃:In 的磷光光谱。拟合（g）紫外激光半高宽（FWHM）与（h）β-Ga₂O₃:In 的磷光强度。

图4. (a) UID β-Ga₂O₃ 与 β-Ga₂O₃:In 单晶在 X 射线激发下的辐射发光光谱。在 X射线激发下的晶体。(b)-(c) UID β-Ga₂O₃ 与 β-Ga₂O₃:In 单晶分别在 137Cs 源 662 keV γ 射线及 ²⁴¹Am 源 5.5 MeV α 射线激发下的脉冲高度谱，以商用 BGO 闪烁体为参照基准。(d) UID β-Ga₂O₃ 与 β-Ga₂O₃:In 在 662 keV γ 射线及 5.5 MeV α 射线激发下的闪烁光产额，经光电倍增管光谱响应校正后相对于 BGO 基准测定。数字标签表示平均光产额值；对应的不确定度（1σ）在正文中给出。(e)-(f) UID β-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃:In 在 662 keV γ 射线和 5.5 MeV α 射线激发下的闪烁衰减曲线。

图5. (a) β-Ga₂O₃:In 晶体中紫外与蓝光相关跃迁的构型坐标图。(b)-(c) UID β-Ga₂O₃ 与 β-Ga₂O₃:In 的紫外光谱。(d) 能带结构与载流子复合过程示意图。

DOI：

doi.org/10.1364/OE.584439