X射線探測,在醫療和工業領域中占有重要地位,通常依靠無機閃爍體將X射線轉化為可見光子。盡管已經測試了幾種量子產率熒光分子作為閃爍體,但其效率通常較低。高能輻射可以電離分子并產生二次電子和離子。結果,產生了高比例的三重態,作為閃爍損失通道。近日,浙江大學現代光學儀器國家重點實驗室的楊旸、劉旭等人在Nature Materials上發文,報道發現了 X 射線誘導的三重態激子,可用于通過非常快速的熱激活上轉換進行發射。基于具有不同發射帶的三種熱激活延遲熒光分子的閃爍體,其效率顯著高于傳統的蒽基閃爍體。還展示了具有 16.6 線對 mm - 1 分辨率的 X 射線成像。這些結果突出了有效和迅速收集三重態激子,對有效 X 射線閃爍和輻射檢測的重要性。
圖 1:有機閃爍體的機理圖解和分子結構。
圖 2:基于 TADF 的閃爍體的高效 RL 和低自吸收。
圖 3:有機閃爍體的性能特征。
圖 4:基于 TADF 閃爍體的高分辨率 X 射線成像。
X射線探測和成像在醫療、安防等領域的應用非常普遍,目前的成像方式主要依賴無機材料制成的閃爍體將不可見的X光轉化成可見光,比如CsI(TI)、GOS:Tb以及新型的鈣鈦礦半導體等,最后用成熟的硅基可見光探測技術進行成像。X射線閃爍體雖然歷經百余年的發展,仍然難說有一個可以勝任所有應用場合的完美閃爍體,因此近一步拓展可用閃爍體的范圍,以期在每種特定應用場合中找到合適的閃爍體具有很大的實際意義。
對于具有能帶結構的半導體來說,無論是X射線還是紫外光激發,其生成的激發態的最終歸宿是大致相同的,但是對于分子發光體或者一些發光中心非常局域的無機材料(如自陷態激子)而言,X射線的激發過程可能會和紫外可見的激發有巨大的差異。該研究選取了典型的有機分子發光體作為討論對象,根據偶極子選擇律(dipole selection rule),較低能量紫外可見光只會直接激發單線態激子,由于X射線能量很高,因此X射線光子會把相當多的分子電離,產生具有極高動能的電子,它們不斷碰撞新的分子,同時把耗散的動能轉化成二次、三次、四次…電子,直到這些熱電子的能量低到無法電離下一個分子時為止,這時這些電子的能量大約是帶隙的2-4倍。
最后對如何利用TADF發光機制設計高效、高速閃爍體的前景做出了展望,由于TADF機制目前多存在于有機分子體系中,其有機屬性帶來比較明顯的缺陷就是X射線吸收截面不高,這個缺點也許可以通過將TADF分子摻雜在高X射線吸收系數的基質中得以解決,另外對于一些本身就要求低原子序數的射線探測領域,比如β和中子探測,也許TADF閃爍體可以得到更快的應用。此外TADF閃爍體中雖然有一個納秒尺度的非常快的發光過程,但是其延遲熒光壽命目前多在百納秒至微秒尺度,仍有進一步提升的必要和空間,這主要可以通過進一步壓低ΔST提高反向系間穿越速率(RISC)來實現,有趣的是,這一點同樣是實現高發光效率和低效率滾降的OLED器件的共同追求,因此基于TADF的OLED器件在不斷發展的同時,也將會自然而然地提供更多更好的X射線閃爍體。