一种易潮解闪烁体光子晶体及其制备方法
技术领域
本发明属于核辐射探测和器件领域，具体涉及一种易潮解闪烁体光子晶体制备方法。
背景技术
卤化物无机闪烁体（例如CsI(Na)、CsI(Tl)、NaI(Tl)、SrI2(Eu)、LaCl3(Ce)、LaBr3(Ce)）通常具有优良的闪烁性能。例如CsI(Na)晶体作为碱金属卤化物无机闪烁体，具有较高的密度、原子序数、高光产额，因而对重带电粒子、伽马射线展现出良好的阻止本领和极为独特的辐射响应和探测性质。它作为一种理想的闪烁材料被广泛应用于辐射成像、高能物理、中微子-原子核散射探测、核医学、暗物质探测、空间探测等领域。
卤化物无机闪烁体具有较高的折射率（通常介于1.7-1.9之间），在高能待测粒子的激发下，闪烁体内部产生大量光子，当那些入射角大于临界角的光子则会被界面全反射，从而无法有效出射。折射率越大，这种无法出射的闪烁光子就越多。因此降低了闪烁体的有效光输出，并因此降低探测器的信噪比、灵敏度等相关性能。
为克服全反射导致的光子被限制在闪烁体内部无法出射的问题，可以在闪烁体表面制备光子晶体，光子晶体是折射率在空间周期排布的阵列结构材料，大于全反射角的闪烁光子在到达界面遇到光子晶体时，会通过衰逝波的耦合使原本被全反射的光被有效提取出来，从而提高有效光输出，并可以因此提升探测器的各项性能。
专利（ZL201410496266.X）公开了一种基于自组装微球阵列结构的光子晶体制备方法，采用该方法，可以在闪烁体的表面制备光子晶体，提高闪烁体的有效光输出，该方法具有成本低、制备工艺简单、可大面积制备的优势。然而该方法只能适用于非潮解闪烁体，因为其关键步骤中必须将闪烁体浸入水中，从而将微球自组装在其表面。
由于卤化物无机闪烁体都是易潮解的闪烁体，如果将潮解闪烁体浸入水中则会破坏闪烁体，因此无法采用该方法在易潮解的闪烁体表面制备光子晶体。
发明内容
为了在易潮解的闪烁体表面制备光子晶体，必须开发出一种新的方法，这种方法在制备光子晶体过程中必须避免闪烁体与水的直接接触。为了解决上述问题，本发明提供了一种易潮解闪烁体光子晶体制备方法；具体技术方案为：
一种易潮解闪烁体光子晶体制备方法，包括以下步骤：
1）将硅片在质量分数为10-15%的十二烷基硫酸钠溶液中浸泡不小于24小时；
2）用PS微球胶体颗粒溶液和水配置成悬浮液，将其缓慢地滴到所述硅片的表面进行PS微球自组装；
3）待所述硅片上的溶液干后，将硅片缓慢放入去离子水中；获得单层紧密排布的PS微球阵列；
4）用载玻片将所述PS微球阵列从水面捞出，待水挥发完后，PS微球阵列留在载玻片上；
5）在干燥超净环境，将热释胶带与载玻片上PS微球阵列紧密贴合，使用压印机施加均匀的压力，使PS微球阵列完整地附着在热释胶带上；
6）将附着PS微球阵列的热释胶带揭下，使用压印机施加均匀压力将热释胶带粘有PS微球阵列的一面与易潮解闪烁体样品的目标表面贴合；
7）将样品加热至90-110℃的脱胶温度，并保温30-60秒，使热释胶带完全脱胶，此时PS微球阵列因范德瓦尔斯力附着在样品表面；
8）利用原子层沉积技术（ALD），在制备好的闪烁体上镀制一层包覆整个所述闪烁体的共形层。
进一步，步骤1)中所述硅片浸泡时间为24-48小时。
进一步，步骤2)中所述PS微球直径为300-600nm。
进一步，步骤5)中所述压力范围是0.1-0.3MPa。
进一步，步骤6)中所述压力范围是0.1-0.3MPa。
进一步，步骤8)中所述共形层的物质是TiO2、SiO2、Ta2O5、Al2O3。
进一步，步骤8)中所述共形层的厚度为30-90nm。
进一步，步骤2)中所述悬浮液滴入速度为每滴之间间隔1-2s。
进一步，步骤3)中所述硅片放入去离子水的速度控制在1.6-3mm/s之间。
本发明还公开了一种采用上述方法制备的易潮解闪烁体光子晶体，包括易潮解闪烁体，所述闪烁体外设置有单层紧密排布的PS微球；PS微球层外设置有共形层。
本发明易潮解闪烁体光子晶体制备方法通过热释胶带的转移，避免了制备过程中易潮解闪烁体与水的直接接触；采用该方法制备的光子晶体结构性质稳定，结构致密，能够显著增强闪烁体的光输出，发挥出了光子晶体增强的效果；该方法经济适用，可以批量生产。
附图说明
图1为实施例1中光子晶体结构的电子显微镜照片；
图2为实施例1中样品在X射线激发下的闪烁发光光谱；
图3为实施例2中光子晶体结构的电子显微镜照片；
图4为实施例2中样品在X射线激发下的闪烁发光光谱。
具体实施方式
下面利用实施例对本发明进行更全面的说明。本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。
为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。
实施例1
该实施例中所采用的闪烁体是CsI(Na),晶体的直径为30毫米，厚度为2毫米。
在干燥的超净室中，制备步骤如下：
1) 将硅片在质量分数为10%的十二烷基硫酸钠溶液中浸泡24小时，在硅片表面形成一层亲水性单分子层。
2) 选取购买自武汉华科微科科技有限责任公司的直径为300nm的PS微球胶体颗粒溶液加去离子水，配制成PS微球胶体颗粒溶液质量分数为2.5%的悬浮液。将硅片取出；用移液枪滴上三滴(约0.15毫升)在硅片的表面，每滴之间间隔1-2s，这时PS微球会在硅片上进行自组装，形成六角密堆积的微球周期阵列结构。2.5%的悬浮液的悬浮液仅为配置方便，使用时还可以用其他PS微球胶体颗粒溶液质量分数的悬浮液。
3) 待硅片上的悬浮液完全干燥后，将硅片缓慢放入去离子水中；硅片放入去离子水的速度控制在1.6-3mm/s之间。由于PS微球的密度比水小，因此PS微球阵列会浮在水面上。
4) 用载玻片将PS微球阵列捞出，待水挥发完后，PS微球阵列留在载玻片上。
5)在干燥的超净室中，将热释胶带与载玻片上PS微球阵列紧密贴合，利用英普林牌型号为NIL-100的纳米压印机施加0.1MPa的压力，使PS微球阵列完整的附着在热释胶带上；
6)将附着PS微球阵列的热释胶带揭下，使用纳米压印机施加0.1MPa的压力将热释胶带粘有PS微球阵列的一面与CsI(Na)闪烁体样品的目标表面贴合；压力需控制在一定范围内，否则会影响PS微球的完整性。
7)将样品加热至90℃的脱胶温度，并保温60秒，使热释胶带完全脱胶，此时PS微球阵列因范德瓦尔斯力附着在样品表面，随后移除热释胶带，即可获得表面有PS微球阵列的闪烁体。
8)采用型号为SUNALE R-200的原子层沉积系统，在表面制备有PS微球阵列的CsI(Na)闪烁体上镀30纳米TiO2共形层，共形层需包覆整个闪烁体形成保护层，获得最终样品。
图1 是所制备的CsI(Na)闪烁体表面光子晶体结构的电子显微镜照片，从图中可以看到该光子晶体具有较为完美的周期结构，达到了预想的效果。
图2是所制备的表面具有光子晶体结构的闪烁体与无结构的参考样品，在X射线激发下的闪烁发光光谱，可以看到所制备的光子晶体对CsI(Na)的发光有显著增强，增强比例达到2.45倍，获得了预期效果。
实施例2
该实施例中所采用的闪烁体是CsI(Na),晶体的直径为30毫米，厚度为2毫米。
在干燥的超净室中，制备步骤如下：
1) 将硅片在质量分数为15%的十二烷基硫酸钠溶液中浸泡48小时，在硅片表面形成一层亲水性单分子层；
2) 选取购买自武汉华科微科科技有限责任公司的直径为400nm的PS微球胶体颗粒溶液，加水配制成PS微球胶体颗粒溶液质量分数为2.5%的悬浮液，移液枪滴三滴(约0.15毫升)，每滴间隔1-2s将其滴到处理过的硅片的表面，这时PS微球会在硅片上进行自组装；
3) 待硅片上的溶液干后，将硅片缓慢放入去离子水中；硅片放入去离子水的速度控制在1.6-3mm/s之间。由于PS微球的密度比水小，因此PS微球阵列会浮在水面上；
4) 用载玻片将PS微球阵列捞出，待水挥发完后，PS微球阵列留在载玻片上；
5)在干燥的超净室中，将热释胶带与载玻片上PS微球阵列紧密贴合，利用英普林牌型号为NIL-100的纳米压印机施加0.3MPa的压力，使PS微球阵列完整的附着在热释胶带上；
6)将附着PS微球阵列的热释胶带揭下，使用纳米压印机施加0.3MPa的压力将热释胶带粘有PS微球阵列的一面与CsI(Na)闪烁体样品的目标表面贴合；
7)将样品加热至110℃的脱胶温度，并保温30秒，使热释胶带完全脱胶，此时PS微球阵列因范德瓦尔斯力附着在样品表面，随后移除热释胶带，即可获得表面有PS微球阵列的闪烁体；该温度既可以保证脱胶效果，又不会使PS微球阵列因温度过高而产生形变；保证光子晶体比较完整的转移到闪烁体表面，达到更好的光提取效果。
8)采用型号为SUNALE R-200的原子层沉积系统，在表面制备有PS微球阵列的CsI(Na)闪烁体上镀90纳米SiO2共形层，并包覆整个闪烁体形成保护层，获得最终样品。增加保护层后既可以保持足够的力学稳定性和隔绝空气的效果，又不会太厚失去在微球阵列表面共形的特征。
图3 是所制备的CsI(Na)闪烁体表面光子晶体结构的电子显微镜照片，从图中可以看到该光子晶体具有较为完美的周期结构，达到了预想的效果。
图4是所制备的表面具有光子晶体结构的闪烁体与无结构的参考样品，在X射线激发下的闪烁发光光谱，可以看到所制备的光子晶体对CsI(Na)的发光有显著增强，增强比例达到2.27倍，获得了预期效果。
实施例3至9
采用上述步骤，开展了实施例3至9，其中主要制备参数的选择和测试获得的闪烁发光增强比例如表1所示。结果表明，对于所涉及的易潮解闪烁体，采用该方法均可以获得光子晶体结果，并发挥其增强闪烁发光的作用。
表1实施例3至9参数明细
本发明公开的制备方法，不限于易潮解的卤化物无机闪烁体；还适用于其他易潮解的闪烁体。
上述示例只是用于说明本发明，除此之外，还有多种不同的实施方式，而这些实施方式都是本领域技术人员在领悟本发明思想后能够想到的，故，在此不再一一列举。
