Science：纳米光子闪烁体，发光性能提高近10倍

当高能粒子（也称为电离辐射）轰击某些材料时，能量被转移到材料的电子上，随后电子跃迁回基态，发出可见光，这一过程被称为闪烁（scintillation），是电离辐射与物质相互作用中最常见的现象之一。早在20世纪初，克鲁克斯和卢瑟福就利用了闪烁现象发现了α粒子，并对其进行计数。如今，闪烁体（scintillator）材料更是广泛应用于医学成像、CT扫描、无损探伤、高能粒子探测器等领域。

卢瑟福α粒子散射实验示意图。图片来源于网络

近期，麻省理工学院（MIT）的Charles Roques-Carmes和Nicholas Rivera等研究者在Science 杂志上发表论文，深入探讨了“纳米光子闪烁体（nanophotonic scintillator）”的概念，即利用图案化结构优化闪烁体材料，以控制并增强其发光性能。研究者开发出了一套理论框架，可以模拟出纳米光子闪烁体的发光水平。相比于未修饰的样品，图案化后的“纳米光子闪烁体”的闪烁光谱强度提高了约10倍。传统研究方法执着于新材料的研发，而该理论框架有助于提高原有材料的性能，开发出更高分辨率和更快速度的闪烁体成像检测系统，减少剂量暴露并提高图像质量。

纳米光子闪烁体设计示意图。图片来源：Science

到目前为止，闪烁被认为可以分解成几个复杂的物理过程。首先，电离辐射把能量传递给材料，将基态电子激发；随后，在粒子跃迁阶段，能量扩散产生二次电子，建立非平衡稳态；最后，电子空穴复合，导致发光。为了全面地模拟闪烁过程，考虑到电子激发的复杂过程以及任意纳米光子结构中非平衡电子的发光，研究者通过蒙特卡罗模拟计算高能射线的能量损失密度，通过密度泛函理论计算电子能级和光谱函数，通过时域有限差分法和严格耦合波分析法计算纳米光子场增强效应，构建出一套完整的模拟计算框架。

纳米光子学中的闪烁过程。图片来源：Science

以该理论为指导，研究者设计两个不同的实验——硅基底的电子诱导闪烁和常规闪烁体的X射线激发闪烁，来验证图案化后纳米光子闪烁体，可以有选择地增强发光性能。第一个实验对SiO₂/Si表面进行图案化，圆孔直径~260 nm，圆心间隔~430 nm，深度分别为约25、35和45 nm，并以电子束做发射源。模拟计算和实验结果相一致，在红色波长下，有明显的双峰结构；在绿色波长下，闪烁光谱显示多个峰值。图案化后的样品表现出选择性的光谱增强，即红色闪烁峰（~674 nm）提高了约6倍，而绿色闪烁峰由于短波长导致的高损耗，强度几乎没有变化。

硅基底图案化的闪烁增强实验演示。图片来源：Science

运用该理论不但解释了实验观察到的增强现象，还可以进一步研究微观跃迁动力学，即材料电子的非平衡状态。例如，闪烁光谱随激发电子能量的变化趋势，高能电子激发下以红光闪烁为主，而低能电子激发下则以绿光闪烁为主。测量结果与第一性原理计算和激发电子动力学模型相结合，据此也可以推断纳米光子闪烁体的能级结构。

图案化二氧化硅闪烁性能分析。图片来源：Science

纳米光子闪烁体的另一重要应用，是提高常规闪烁材料对高能光子（如X射线）的检测能力。研究者同样将掺铈钇铝石榴石闪烁体（YAG:Ce）图案化，实验结果和模拟计算一致表明，图案化区域（“on” 区域）的闪烁信号比未图案化区域（“off” 区域）提高了平均~9.1倍。如果使用薄的高折射率材料，进一步优化纳米图案的拓扑结构，闪烁的选择性增强可能达到近两个数量级，甚至实现在单个频率或整个闪烁带宽上增强其中某一个闪烁峰。

纳米光子闪烁体对X射线探测的增强。图片来源：Science

X射线成像结果也显示出，中间图案化后的部分亮度明显提高，且分辨率保持不变，实验结果与模拟预测完全一致。该理论框架为准确预测纳米二维图案对发光性能的影响提供了条件。

纳米光子闪烁体的成像对比。图片来源：Science

大多研究者专注于开发具有更高光产额和能量分辨率的闪烁体新材料，而如何创建与光波长相当的纳米图案，提升现有材料的性能，更是材料学领域的难题。“我们正在做的事情的核心，是开发的一种理论框架”，Nicholas Rivera说，“这使研究人员能够计算任意纳米光子结构产生的闪烁性能”。“我们相信这将开辟纳米光子学研究的新领域”，Charles Roques-Carmes补充道，“利用纳米光子学领域已完成的研究，可以显著改善现有的闪烁体材料”。^[1]

图案化提高闪烁性能。图片来源：Science ^[2]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A framework for scintillation in nanophotonics 

Charles Roques-Carmes, Nicholas Rivera, Ali Ghorashi, Steven E. Kooi, Yi Yang, Zin Lin, Justin Beroz, Aviram Massuda, Jamison Sloan, Nicolas Romeo, Yang Yu, John D. Joannopoulos, Ido Kaminer, Steven G. Johnson, Marin Soljačić

Science, 2022, 375, eabm9293, DOI: 10.1126/science.abm9293

参考文献：

[1] More sensitive X-ray imaging

https://news.mit.edu/2022/scintillator-x-ray-imaging-0224 

[2] Yu R. & Fan S. Flashing light with nanophotonics. Science, 2022, 375, 822-823. DOI: 10.1126/science.abn8478

（本文由小希供稿）