The Innovation Materials | ‌用于X射线探测与成像的稀土卤化物类钙钛矿闪烁体

稀土卤化物类钙钛矿闪烁体具有结构类型多样、制备方法灵活及光物理性质丰富等特点，可通过结构维度调控、离子掺杂和有机–无机杂化设计等方式优化闪烁性能，并在低剂量、高分辨率及多模态X射线成像中展现出良好的应用潜力。本文旨在系统总结该类材料的闪烁机制与应用进展，为新型辐射探测与成像材料体系的设计提供参考。

导  读

近年来，稀土卤化物凭借较高的相对光输出、可调的发射光谱以及良好的稳定性等特点，已成为新型高性能闪烁体的核心候选材料。本文系统阐释稀土卤化物的闪烁发光机理，分类综述了全无机稀土卤化物、有机-无机杂化稀土卤化物以及稀土离子掺杂型卤化物三类闪烁材料体系，并梳理相关材料的设计思路与调控策略。同时讨论了该系列材料在高分辨成像与多模态成像等方面的应用潜力。

图1 图文摘要

闪烁体作为X射线成像系统的核心能量转换功能材料，能够将高能X射线光子转化为低能的可见光或近红外光。稀土卤化物类钙钛矿材料拥有丰富的结构体系、可调的光学性质和多样化的制备工艺。与此同时，通过调控晶体维度、配位环境和离子掺杂方式，可进一步优化该类材料的发光光谱、衰减寿命与能量传递路径。基于上述优势，稀土卤化物类钙钛矿闪烁体为实现X射线低剂量探测、高分辨率成像、动态成像和多模态融合应用奠定了坚实的材料基础。

图2 稀土卤化物类钙钛矿闪烁体的闪烁机理

本文系统总结了稀土卤化物在X射线激发下的能量转换机制，主要包含能量沉积、载流子输运和辐射复合三个核心过程。材料受X射线辐照后，可通过光电效应、康普顿散射等过程沉积能量，进而产生载流子；随后，载流子在材料内部迁移、俘获、释放，最终通过带边复合、自陷激子复合及稀土离子的4f–4f或5d–4f特征跃迁产生发光（图2）。稀土元素因具有较高的原子序数，可有效提升材料对X射线的吸收能力和能量沉积效率。其中，Ce3+和Eu2+等稀土离子通常具有纳秒级快速响应，而Tb3+、Eu3+等离子则可提供窄带、高强度的特征发射，满足不同成像场景的性能需求。

图3 AREX4稀土卤化物

本文将稀土卤化物类钙钛矿闪烁体划分为全无机稀土卤化物、有机-无机杂化稀土卤化物以及稀土掺杂卤化物三类。其中，全无机体系通常具有较高的结构稳定性和明确的晶体结构，以AREX4、A3REX6和A2BREX6为代表的典型体系展现出各具特色的结构与闪烁性能。AREX4体系通过核壳结构设计可有效调控缺陷和载流子俘获行为，使其具有长余辉特性，适用于信息存储和延迟成像等领域（图3）；零维A3REX6体系以孤立的[REX6]3-八面体结构为基本单元，有利于局域激发和高效稀土离子发光（图4）；三维双钙钛矿A2BREX6体系则具有连续的三维晶格网络，有助于载流子迁移和能量传递，可通过组分掺杂和结构维度调控实现RGB彩色成像及材料密度识别。此外，部分具有长余辉特性的材料还可进一步应用于辐射能量存储、三维显示与信息加密等场景（图5）。

图4 A3REX6稀土卤化物

图5 A2BREX6稀土卤化物

相较于全无机体系，有机-无机杂化稀土卤化物拥有更灵活的结构可设计性和可调控的能量传递路径，可依托有机组分与无机组分的协同优势突破单一材料的性能局限。金属有机框架可实现有机配体和稀土发光中心的有序集成，进而构筑高效的能量转移通道，实现双模传感及X射线介导光动力治疗等功能应用（图6）。离子液体基稀土卤化物体系和稀土卤化物玻璃可有效抑制光散射和信号串扰，在保持光学透明性的同时提升成像分辨率，为高分辨率和多功能X射线成像提供材料基础。

图6 有机‑无机杂化稀土卤化物

稀土掺杂卤化物主要通过引入稀土活性离子，调控主体材料的发光路径、缺陷组态和结构稳定性，是优化闪烁性能、拓展功能维度的重要改性策略。掺杂稀土离子既可作为发光中心，也可参与体系内能量转移、量子剪裁和晶格稳定性调控。例如，Yb3+掺杂可实现近红外发光；Eu3+、Lu3+等掺杂可改善材料稳定性和成像耐久性（图7）。这类掺杂策略为开发兼具高光产额、宽光谱响应和多功能成像能力的闪烁体提供了有效途径。

图7 稀土掺杂卤化物

总结与展望

稀土卤化物类钙钛矿闪烁体在低剂量探测、高分辨率成像、动态成像和多模态应用中展现出良好发展潜力。面向实际应用，未来研究可围绕衰减寿命与余辉行为调控、低成本规模化制备工艺开发、稀土离子价态控制以及掺杂介导能量传递机制优化等关键问题展开，进一步提升该材料体系的综合闪烁性能。

责任编辑

刘云鹏   中国科学院高能物理研究所‌

孙宇富   福建师范大学