[发明专利]闪烁体光子晶体结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种闪烁体，特别是涉及一种闪烁体光子晶体结构。本发明还涉及上述闪烁体光子晶体结构的制作方法。

背景技术

在辐射探测领域，闪烁体是指与射线或粒子等辐射作用后能够产生荧光的物质。通俗的讲，闪烁体功能就是将辐射沉积在其中的能量转换为荧光光子释放出来。闪烁探测器一般由闪烁体和光电探测器构成，其中闪烁体使得辐射沉积的能量转换为荧光光子，光电探测器探测闪烁体荧光并转化为电信号输出，从而实现对辐射的探测。从光电探测器输出的电信号中可以获得辐射场粒子的种类、时间、能量、位置、动量等信息。因此，闪烁探测器广泛应用于地面核辐射探测、空间射线探测和粒子物理及核物理实验研究等。

闪烁体的光输出对闪烁探测器的能量分辨、本征探测效率等具有决定性影响。高光输出的闪烁体一直是国内外核辐射探测领域的重要追求目标之一。闪烁体的光输出由闪烁体本征光产额和光提取效率共同决定。目前使用的大部分商用闪烁体本征光产额已经接近其本征发光效率的理论极限，通过生长工艺提高闪烁体本征光产额变得越来越困难。然而，另一方面实际应用中的光提取效率并不高。这是因为大部分闪烁体的折射率较大，其折射率系数通常介于1.4～3.0之间，光从闪烁体内向空气或其他介质传输时的全反射角较小，导致大部分闪烁荧光被限制在闪烁体内无法直接出射。以折射率为2.0的闪烁体为例，其与空气界面上的全反射角为30°，理论计算表明只有13％的闪烁光能够自由地从闪烁体出射到空气中，其余的闪烁荧光则经过多次反射后被闪烁体吸收或从闪烁体边缘出射。这种多次反射的过程降低了闪烁体的光输出，是限制闪烁体能量分辨、时间性能和闪烁体应用于低能射线探测的重要因素。

可以利用光子晶体结构来调节和操控闪烁体的荧光光子改变闪烁体发光参数。光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制类似，光子晶体能够调制具有相应波长的电磁波。当发射光沿着大于全反射角的方向到达闪烁体-空气界面时，在界面处会发生全反射，这限制了光的出射。发生全反射时，电磁场在界面的空气一侧大约一个波长的高度处会形成非传播形式的能量分布，即衰逝场。如果在该区域布置了一层具有周期结构的光子晶体，衰逝场与光子晶体耦合作用，当光子晶体的几何参数满足一定条件时，这些非传播形式的电磁场将会被光子晶体衍射，使其成为传播形式的电磁场即光子发射，从而实现了对光的提取。

文献1“Broadbandlightoutputenhancementforscintillatorusingwhispering-gallerymodesinnanospheres.Phys.StatusSolidiA.2014；211(7),1583～1588”公开了一种采用自组装方法在闪烁体表面制备的微球阵列构成的光子晶体结构，并申请了国家发明专利(一种利用表面光子结构实现的高光提取效率闪烁体”(中国专利，申请号201410496266.X)。该方法通过漂浮在去离子水表面的聚苯乙烯微球在分子力作用下，自组装形成六角形周期性排列的光子晶体结构。这些光子晶体结构可以提高闪烁体光提取效率。由于自组装方法制备的光子晶体结构在宏观面积上是由许多具有不同取向的局域筹构成，这使得该方法制作的光子晶体结构发光对方向的依赖不如理论仿真结果完美，限制了该类光子晶体的应用。

纳米压印是近十年来半导体领域新兴的一种微纳结构制作技术。文献2“一种利用纳米压印技术快速制备蓝宝石图形衬底的方法”(中国专利，申请号201210483894.5)中，利用纳米压印技术制作了蓝宝石衬底的纳米尺度图形；文献3“一种基于纳米压印制备GaN基光子晶体LED的方法”(中国专利，申请号201110087571.X)中，制备了GaN基的光子晶体LED。也有不少利用纳米压印技术在半导体上制作光子晶体的装置的专利，如文献4“用于蓝宝石衬底图形化的纳米压印装置及方法”(中国专利，申请号20110049910.X)、文献5“一种整片圆纳米压印光刻机”(中国专利，申请号201110266251.0)、文献6“整片晶圆纳米压印的装置”(中国专利，申请号201220673702.3)等。在以上文献中，其纳米压印技术最后都是在半导体上制作微纳结构，且光刻胶(一种有机聚合物)在其中主要发挥光刻过程的掩膜板作用。事实上，类似于光刻胶的这样的透明状有机聚合物通过纳米压印技术可直接形成周期性分布的结构，作为光子晶体使用。

发明内容