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X射線探測技術(shù)在疾病診斷、異物檢測等領(lǐng)域具有重要作用。閃爍體作為X射線探測技術(shù)的核心器件，是一類可以將高能輻射如X/γ射線、α/β粒子、中子轉(zhuǎn)化為可見光或近可見光的材料。而高效閃爍體需要具有高產(chǎn)光率、高能量分辨率、快速響應(yīng)時間、靈敏的電離檢測以及出色的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性。面向這一需求，中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所郭國聰與鄭發(fā)鯤團(tuán)隊(duì)在錳基有機(jī)金屬鹵素雜化閃爍體研究方面取得了進(jìn)展。

錳基有機(jī)金屬鹵素雜化閃爍體具有優(yōu)越的熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和可加工性，在核醫(yī)學(xué)、輻射檢測和工業(yè)檢測等方面具有應(yīng)用前景。而關(guān)于溫度對錳(II)基閃爍體的影響研究甚少，尤其在發(fā)光/閃爍機(jī)理方面。為此，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了具有高發(fā)光效率且可大規(guī)模制備的錳基有機(jī)金屬鹵素雜化納米閃爍體Mn-1 NCs ((mpp)₂MnCl₄)。

研究顯示，在77?K至150?K溫度區(qū)間內(nèi)，Mn-1?NCs熒光強(qiáng)度隨著溫度的上升而下降。這是由于在該溫度區(qū)間Mn²⁺離子的激發(fā)電子無法克服陷阱能級，遵循Dexter能量轉(zhuǎn)移過程。而在150?K至350?K溫度區(qū)間內(nèi)，Mn-1 NCs的熒光強(qiáng)度隨著溫度的上升而上升，甚至超過77?K時的熒光強(qiáng)度。這是由于溫度升高有助于被捕獲的電荷載流子逃離陷阱能級，經(jīng)由能量倒轉(zhuǎn)過程重新到達(dá)Mn²⁺離子的發(fā)光中心，在一定程度上可彌補(bǔ)溫度升高造成的發(fā)光損失。同時，Mn-1 NCs的閃爍強(qiáng)度優(yōu)于商用閃爍體Bi₄Ge₃O₁₂，探測極限可達(dá)1.01 μGy_air/s，低于醫(yī)學(xué)成像中的標(biāo)準(zhǔn)診斷劑量率。

這一金屬鹵素閃爍材料表現(xiàn)出較好的抗輻照穩(wěn)定性、溶劑穩(wěn)定性和空氣穩(wěn)定性。研究通過基于Mn-1 NCs的柔性閃爍薄膜，可觀察到美工刀和耳機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其成像分辨率可達(dá)11.3 lp/mm。該研究明晰了有機(jī)-無機(jī)雜化金屬鹵素閃爍材料發(fā)光機(jī)理，為高性能閃爍材料的設(shè)計(jì)提供了新途徑。相關(guān)成果以High-Resolution X-Ray Imaging With 0D Organic–Metal Halide Scintillator Featuring Reversed Exciton Trapping為題，發(fā)表在《激光與光子學(xué)評論》（Laser &?Photonics Reviews）上。

通常，閃爍薄膜通過物理摻雜方法將閃爍體負(fù)載到高分子材料中。這種方式易導(dǎo)致閃爍體顆粒堆積，從而使相鄰的閃爍體產(chǎn)生光學(xué)串?dāng)_，影響探測器性能。該團(tuán)隊(duì)采用具有圓偏振閃爍性能的閃爍體材料，通過調(diào)控輻射發(fā)光的傳播方向，來解決上述問題。

該團(tuán)隊(duì)利用烯丙基膦配體合成了兩種零維錳基有機(jī)金屬鹵素雜化閃爍體——(atpp)₂MnCl₄·0.5H₂O（MnCl₄-1）和(atpp)₂MnBr₄（MnBr₄-2）。得益于四面體[MnX₄]^2–晶體場的影響，相較于MnCl₄-1，含較重溴原子的MnBr₄-2在X射線探測中表現(xiàn)出更優(yōu)越的檢測極限，僅為0.117 μGyair/s；而MnCl₄-1的檢測極限為0.330 μGyair/s。研究顯示，二者均優(yōu)于醫(yī)學(xué)診斷標(biāo)準(zhǔn)。

同時，這些錳基有機(jī)金屬鹵素雜化閃爍體含有不飽和的C=C雙鍵，通過光聚合反應(yīng)，將手性聚合單體、高分子預(yù)聚體與零維錳基有機(jī)金屬鹵化物閃爍體結(jié)合起來。因此，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了新型手性金屬-有機(jī)聚合物材料，取得了優(yōu)異的發(fā)光不對稱因子效果?；陂W爍體MnBr₄-2的手性金屬-有機(jī)聚合物閃爍薄膜在X射線成像中的分辨率達(dá)14.84 lp/mm，相較于傳統(tǒng)物理摻雜類材料提高了成像空間分辨率，超過了乳腺癌醫(yī)學(xué)成像的標(biāo)準(zhǔn)，這對高分辨率醫(yī)學(xué)X射線成像應(yīng)用具有重要意義。相關(guān)成果發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目、福建省自然科學(xué)基金等的支持。

論文鏈接：1、2