“一箭双雕”策略构筑富氢二维钙钛矿中子闪烁体成像材料

快中子射线对大多数物质都具有很强的穿透能力，故快中子成像技术是大尺寸部件射线无损检测领域内极具潜力的技术手段，在航空航天、核能、高端制造、新能源等国家重点科技发展领域，快中子成像技术将会发挥重要的作用。快中子探测成像的主要原理是高能的快中子穿过目标物体后，衰减后的中子束流轰击闪烁体材料中的氢核，通过弹性散射相互作用产生反冲质子，反冲质子在闪烁体上沉积能量并诱导产生电子-空穴对，激发闪烁体发出可见荧光，将中子场分布转换为可见光分布，通过后端光学系统收集并存储，从而实现快中子探测和成像。理想的快中子探测成像材料必须同时具有丰富的氢和良好的发光性能，传统快中子探测成像材料主要是通过将富氢组分和发光组分进行物理共混成型，存在诸如闪烁体在基体中分布不均匀等问题，因此，如果能够将富氢单元与发光单元在分子尺度上耦合协同，就有望实现高效中子成像。

钙钛矿材料在许多领域都表现出优异的光学特性，但由于常规无机钙钛矿不能直接吸收快中子并发射荧光，因此目前尚未有钙钛矿作为独立的闪烁体在快中子探测成像领域的报道。

近日，中国科学院理化技术研究所孙承华项目研究员与北京航空航天大学化学学院赵勇教授合作，设计并成功合成了一种集快中子吸收与荧光发光材料为一体的锰掺杂有机无机杂化钙钛矿闪烁体材料：Mn-(C₁₈H₃₇NH₃)₂PbBr₄（简称Mn-STA₂PbBr₄）。这种“一箭双雕”策略克服了无机钙钛矿材料几乎不吸收快中子的缺点，将长链烷基胺富氢单元与钙钛矿发光单元合二为一，并通过Mn²⁺离子掺杂作为发光中心调控了荧光发射光谱，显著降低了STA₂PbBr₄的发光自吸收，提高了荧光量子产率，首次实现了基于单组分快中子钙钛矿闪烁体的制备。Mn-STA₂PbBr₄闪烁体材料可以制成大面积成像板，在快中子加速器上用于快中子射线照相，其氢密度可以达到9.51×10²⁸ m^-3，可实现具有工程应用价值的空间分辨率（0.5 lp/mm）。这种探测效率与分辨率兼顾的策略为下一代快中子闪烁体材料和器件提供了新的设计思路，有望为反应堆、大型加速器、散裂源等大型科学平台上的快中子成像装置和小型快中子源便携式中子成像设备提供自主可控的探测材料和器件。

图1. a) 快中子钙钛矿闪烁体Mn-STA₂PbBr₄设计原理, b) 快中子成像装置示意图, c) Mn-STA₂PbBr₄的PLE和PL光谱, d) Mn-STA₂PbBr₄在快中子辐照下的闪烁机制, e) 大面积 Mn-STA₂PbBr₄自支撑成像板及其荧光照片, f) 标准空间分辨率测试样品, g) Mn-STA₂PbBr₄板快中子成像。图片来源: J. Am. Chem. Soc.

该工作得到中国科学院化学研究所易院平研究员和曾艳博士在DFT计算方面的大力支持，北京航空航天大学张渊教授在发光机理方面也给予了有益的帮助。该研究得到国家自然科学基金（22175007，11675153，21975007）、四川省科技计划项目（2019ZDX0010）及国家有关工业技术发展计划的支持。

该工作以全文 (Article) 形式发表在J. Am. Chem. Soc.。

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Hydrogen-Rich 2D Halide Perovskite Scintillators for Fast Neutron Radiography

Jinxiao Zheng, Yan Zeng, Jingjing Wang, Chenghua Sun*, Bin Tang, Yang Wu*, Yuan Zhang, Yuanping Yi, Nü Wang, Yong Zhao*, and Shuyun Zhou

J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c08923

主要作者简介

郑金晓，中国科学院理化技术研究所在读博士，目前从事钙钛矿发光材料相关工作的研究。

曾艳，现中国科学院化学研究所在读博士，目前从事掺杂有机热电中的电荷产生和转移机制，以及聚集态结构相关工作研究。

孙承华，中国科学院理化技术研究所项目研究员，2005年于中科院理化所获博士学位。主要从事特种感光成像材料的研究工作，如瞬态激光全息成像以及高能射线无损检测成像等。于2008年获得北京市科技新星计划，作为项目负责人承担了多项军品配套项目、国家自然基金、863计划以及横向项目，并申请及授权专利十余项，发表论文三十余篇。

赵勇，北京航空航天大学教授，主要从事多尺度结构纳米纤维功能材料研究。在Nature; Nat. Commun.; PNAS; JACS; Angew. Chem.; Adv. Mater.等期刊发表论文110余篇，引用8400余次，H因子44，2020爱思唯尔“中国高被引学者”。