Advanced Functional Materials
刊发唐江教授团队基于原位聚合的大尺寸、快寿命热激子有机闪烁体
2025年2月21日，Advanced Functional Materials在线刊发了华中科技大学唐江教授领衔的单片集成光电子器件与系统团队（MODS）题为《Hot Exciton-Based Plastic Scintillator Engineered for Efficient Fast Neutron Detection and Imaging》的研究论文。论文第一作者为何松博士生、万鹏颖博士生和李涵辰博士，通讯作者为唐江教授、郑志平教授和刘林月副研究员。论文第一单位为华中科技大学。
闪烁是利用闪烁体将辐射能量转化为可见光的过程。该机制广泛应用于无损探测和辐射成像中的中子/X射线探测、正电子发射断层扫描（PET）中的γ射线探测、核反应监测中的β射线探测以及高能物理研究中的电磁量热仪等领域。开发大尺寸、高光产额和快寿命的闪烁体一直是该领域的主要研究目标。大尺寸可确保出色的探测效率和大面积成像；高光产额意味着在不增加辐射剂量的情况下产生更多的光子，从而提高灵敏度；快寿命意味着更少的延迟和更快的探测/成像速度。然而，实现同时满足所有这些苛刻标准的闪烁体是极具挑战性的，现有的闪烁体无法完全做到这一点。
有机闪烁体（OS）由于其纳秒级寿命、低温加工性、丰富的资源和低成本而受到广泛关注。早期有机单晶，如蒽和芪，表现出较短的寿命（ns）和适中的光产额（≈13500 photons/MeV）。由于弱自旋轨道耦合导致约75%的三线态激子在高能辐射下非辐射释放，只有一小部分单线态激子复合产生荧光，因此，其光产额没有达到其最大潜力。此外，它们的高脆性和严苛的存储要求也限制了其应用。为了提高OS的光产额，热激活延迟荧光（TADF）有机分子被广泛研究以提高三线态激子的利用率。虽然TADF机制显著提高了光产额（≈73500 photons/MeV），但是延迟荧光将寿命延长至微秒/秒水平，失去了OS纳秒寿命的优势。
为了应对上述挑战，唐江教授团队从底层角度分析了聚合物基质在定制有机闪烁体整体性能所起的关键作用。鉴于此，通过分别选择极性相近的非晶态聚乙烯基甲苯（PVT）和热激子荧光分子四-(4-溴苯)乙烯（TPE-4Br）作为基质和发光中心，利用原位聚合工艺制备了一种新型的、大尺寸（约191 cm³）、高透明度（透过率约88.3%）的有机闪烁体TPE-4Br@PVT。此外，该闪烁体同时表现出超快的辐射寿命（1.66/5.26 ns）和可观的光产额（14443 photons/MeV）。该闪烁体不仅实现了高分辨率的X射线成像（13.9 lp/mm），还实现了创纪录的快中子成像分辨率（2.03 lp/mm）。TPE-4Br@PVT的开发为辐射探测和成像领域提供了一种新的解决方案，其优越的性能有望在实际应用中得到进一步验证和推广。
图1.制备原理图和蒙特卡洛模拟。a）大尺寸、高透明度的TPE-4Br@PVT的制备工艺。b）TPE-4Br@PVT在日光（左）和365 nm紫外线（右）激发下的光学照片。c）6.3 MeV快中子在TPE-4Br@PVT中的作用轨迹的蒙特卡洛模拟。
图2. 富氢闪烁体与TPE-4Br@PVT的光学特性比较。a）H原子浓度，b）中子宏观截面，c）高能光子宏观截面。不同掺杂浓度下x wt.% TPE-4Br@PVT的发光特性比较（1≤x≤3；wt.，重量百分比）：d）365 nm紫外线（上）和日光（下）激发下的光学图片，e）光致发光光谱，f）荧光寿命和荧光量子产率。
图3. TPE-4Br@PVT的闪烁性能。a）TPE-4Br@PVT中快中子诱导闪烁发光的示意图。S，单线态；T，三线态；IC，内部转换；ET，能量转移；hRISC，高能级反向系间窜越；Fluo.，荧光。b）透射率曲线，c）辐射发光光谱和光致发光光谱，d）2.0wt.% TPE-4Br@PVT的辐射荧光寿命和光致发光寿命。e）TPE-4Br单晶、x wt.% TPE-4Br@PVT（x=2，3）块体和商用芪单晶的快中子响应高度谱。
图4. TPE-4Br@PVT的辐射成像。a）辐射成像原理图。b）芯片的光学照片（左下）和X射线成像图。c）标准X射线分辨率线对卡的X射线成像图。d）刃边X射线成像的调制传递函数曲线。e）三角形聚乙烯块、矩形钨块的快中子成像图。f）从图4e）的红色虚线框中提取的快中子成像的调制传递函数曲线。g）钨分辨率线对卡的快中子成像（区域I和II分别代表1.55和2.05 lp/mm）。h）从图4g）区域I和II的快中子成像图中提取的灰度值曲线。i）用于快中子成像的不同闪烁体的空间分辨率对比。
该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、博士后创新人才支持计划、华中科技大学分析测试中心和华中科技大学武汉光电国家实验室能源光电子学测试平台的支持，在此一并表示感谢。
https://doi.org/10.1002/adfm.202503688
