X射线激发的聚合物磷光闪烁体

闪烁体是一种可以将高能粒子或射线转化成低能可见光的材料，在生物医学和国防军事等领域中发挥着重要的作用。通常，闪烁体可分为无机闪烁体和有机闪烁体两大类。无机闪烁体主要基于重金属元素，其制备条件苛刻、生产成本高且难以实现大面积制备。相比之下，有机闪烁体具有原料成本低廉、易加工修饰、可宏量制备等优点，在闪烁体材料中备受青睐。然而，目前已报道的有机闪烁体多为荧光材料，大多数三线态激子通过非辐射衰变耗散，导致材料激子利用率低。尽管有少数报道已经实现了高性能的磷光闪烁体，但是主要为晶体块状材料，在器件集成和加工性方面的内在缺陷限制了其进一步发展。因此，如何实现高效、柔性和可大面积制备的闪烁体是该领域面临的重大研究挑战之一。

针对这一科学难题，西北工业大学柔性电子前沿科学中心黄维院士（点击查看介绍）、谷龙教授（点击查看介绍）和南京工业大学安众福教授（点击查看介绍）所带领的团队在聚合物中以共价键连接的方式引入含有卤素重原子的发色团，协同卤素重原子较强的X射线吸收能力和聚合物的刚性环境，成功制备了高效的无定型聚合物磷光闪烁体。研究显示，引入溴原子不但改善了材料X射线的吸收能力，而且促进了材料三线态激子的产生，改善了材料的激子利用率。同时，聚合物的刚性环境有效地稳定了三线态激子，提升了有机磷光闪烁体的辐射发光性能。该类闪烁体材料的最高磷光效率可达51.4%，其辐射发光强度随X射线计量改变呈线性响应特征，展现出聚合物磷光闪烁体高灵敏性的特点。同时，在长时间X射线辐射下，材料的光学性能仍然可以保持很好的稳定性。此外，通过改变发色团的共轭结构，实现了从蓝绿色到橘红色的多彩调控。鉴于材料高效、稳定、柔性和可大面积制备的特性，该聚合物闪烁体被成功应用于X射线成像应用中。该创新性研究成果不仅为开拓新型闪烁体材料提供了指导性设计原则，而且为发展大面积和柔性X射线探测器提供了全新策略。

图1. 聚合物磷光闪烁体的设计原则及其在X射线辐射下的发光过程。图片来源：Nat. Commun.

图2. 聚合物磷光闪烁体的光物理性质与X射线成像应用。图片来源：Nat. Commun.

这一成果近期发表在国际顶级术期刊Nature Communications 上，西北工业大学柔性电子前沿科学中心博士生甘楠和邹欣为文章的共同第一作者。

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）：

Organic phosphorescent scintillation from copolymers by X-ray irradiation

Nan Gan, Xin Zou, Mengyang Dong, Yanze Wang, Xiao Wang, Anqi Lv, Zhicheng Song, Yuanyuan Zhang, Wenqi Gong, Zhu Zhao, Ziyang Wang, Zixing Zhou, Huili Ma, Xiaowang Liu, Qiushui Chen, Huifang Shi, Huanghao Yang, Long Gu, Zhongfu An & Wei Huang 

Nat. Commun., 2022, 13, 3995, DOI: 10.1038/s41467-022-31554-3

导师介绍

黄维

https://www.x-mol.com/university/faculty/211016 

谷龙

https://www.x-mol.com/university/faculty/326515 

安众福

https://www.x-mol.com/university/faculty/27682