lexsyg释光探测器 || 在材料表征科研领域应用分享

突破性技术：激光烧结实现1毫米级无裂纹掺铒二氧化硅薄膜

Lexsyg光谱仪精确验证光学性能

文章来源：https://doi.org/10.1016/j.optmat.2017.03.035

在硅基光学器件领域，如何制备高厚度、无裂纹且具备优异发光性能的薄膜一直是技术难题。克莱姆森大学联合研究团队通过CO₂激光烧结技术成功制备出厚度超过1毫米的无裂纹掺铒二氧化硅薄膜，为微型化闪烁体和光学波导器件提供了全新解决方案。研究中，lexsyg research作为重要检测设备，精确揭示了材料的发光特性与闪烁性能。

技术突破：从溶胶配方到激光烧结的全流程创新

1、溶胶-凝胶前驱体优化

原料创新：采用四乙氧基硅烷（TEOS）与六甲基二硅氧烷（HMDS）混合体系，通过调控HMDS比例（硅摩尔占比25%），将凝胶时间延长至24小时，避免相分离。

稀土掺杂：引入0.5%的铒离子（Er³⁺）和1%的铝离子（Al³⁺），提升发光效率并抑制浓度淬灭，同时通过Pluronic F127聚合物调节溶胶流变性，减少干燥应力。

2、CO₂激光烧结工艺

设备配置：采用10.6 μm波长CO₂激光（功率7 W，扫描速度1 mm/s），聚焦光斑直径1 mm，通过局部快速加热实现薄膜致密化。

厚度突破：单层薄膜厚度从传统炉火烧结的500 nm提升至1毫米以上，且无裂纹产生，关键归因于局部热应力松弛机制（有限元模型验证，图1）。

图1. (A)二氧化硅:铒在379nm激发下的PL光谱;(B)在550nm监测二氧化硅:铒的PL光谱；(C)二氧化硅在379nm激发下的PL光谱；(D)二氧化硅:铒的RL光谱；和(E)二氧化硅的RL光谱。

性能验证：lexsyg揭示材料发光特性

1、光致发光（PL）与放射发光（RL）测试

lexsyg重要作用：通过lexsyg research光谱仪对X射线激发下的薄膜进行测试，结果显示：掺铒薄膜在550 nm处呈现强烈的Er³⁺特征峰（4S3/2→4I15/2跃迁），与光电倍增管检测波段高度匹配。

发现：RL谱中观察到467 nm峰（2P3/2→4I11/2跃迁），证实材料在辐射探测中的高灵敏度。

图2.在以1 mm/s的速度进行7w激光扫描之后，由AFM测量的薄膜厚度:(A)大约914 nm的原始厚度，和(B)大约3080 nm的原始厚度。

2、结构稳定性与致密化

SEM/AFM分析：激光烧结后薄膜致密度接近熔融石英基底，收缩率稳定在67%，与炉火烧结效果相当。

应力控制机制：有限元模拟表明，激光烧结通过 “软区应力释放”抑制裂纹，而传统烧结因整体受热导致应力累积。

结论与行业应用前景

本研究通过溶胶-凝胶结合CO₂激光烧结技术，突破传统工艺的厚度限制，成功制备出1毫米级无裂纹掺铒二氧化硅薄膜。lexsyg的高灵敏度光谱分析能力为材料性能验证提供了可靠数据支持，凸显其在光学材料研发中的不可替代性。该技术有望应用于：

1、高能物理探测：如粒子加速器中的微型化闪烁体探测器；

2、医学成像：X射线/γ射线成像设备的灵敏层材料。