Влияние наноструктурирования соосажденных прекурсоров на морфологию и сцинтилляционные свойства многокатионной керамики со структурой граната

Получены однофазные поликристаллические образцы состава (Gd,Y)₃Al₂Ga₃O₁₂:Ce,Tb со структурным типом граната. Используя различные подходы к подготовке исходных порошков гидроксокарбонатных прекурсоров и методов формования, производили варьирование размера зерна керамики. Методом сканирующей электронной микроскопии были установлены особенности микроструктуры исходных порошков с разной температурой обработки и микроструктуры получаемой керамики. Показано, что увеличение размера зерна керамики и снижение остаточной пористости даёт заметный прирост оптической прозрачности в видимой области спектра, в которой излучают ионы Ce³⁺ и Tb³⁺ в процессе сцинтилляции. Рассмотрено влияние межзёренных границ керамики на особенности диффузии неравновесных носителей, электронов и дырок, а также экситонов, образующихся при поглощении ионизирующего излучения на выход сцинтилляций и энергетическое разрешение.

1. Kaminskii A.A. Laser crystals: their physics and properties. Springer Ser. Opt. Sci., 1990, P. 214.

2. Gektin A., Korzhik M. Inorganic scintillators for detector systems. Berlin: Springer, 2017, P. 20-77.

3. Retivov V., Dubov V., Komendo I., Karpyuk P., Kuznetsova D., Sokolov P., Talochka Y., Korzhik M. Compositionally disordered crystalline compounds for next generation of radiation detectors. Nanomaterials, 2022, 12(23), P. 4295.

4. Kamada K., Endo T., Tsutumi K., Yanagida T., Fujimoto Y., Fukabori A., Yoshikawa A., Pejchal J., Nikl M. Composition engineering in cerium-doped (Lu,Gd)3(Ga,Al)5O12 single-crystal scintillators. Cryst. Growth Des., 2011, 11(10), P. 4484–4490.

5. Kamada K., Yanagida T., Pejchal J., Nikl M., Endo T., Tsutumi K., Fujimoto Y., Fukabori A., Yoshikawa A. Scintillator-oriented combinatorial search in Ce-doped (Y,Gd)3(Ga,Al)5O12 multicomponent garnet compounds J. Phys. D: Appl. Phys., 2011 44(50), P. 505104.

6. Kamada K., Yanagida T., Endo T., Tsutumi K., Usuki Y., Nikl M., Fujimoto Y., Fukabori A., Yoshikawa A. 2 inch diameter single crystal growth and scintillation properties of Ce:Gd3Al2Ga3O12. J. Cryst Growth, 2012, 352(1), P. 88–90.

7. Kurosawa S., Shoji Y., Yokota Y., Kamada K., Chani V., Yoshikawa A. Czochralski growth of Gd3(Al5−xGax)O12 (GAGG) single crystals and their scintillation properties. J. Cryst. Growth, 2014, 393, P. 134–137.

8. Korzhik M., Alenkov V., Buzanov O., Dosovitsky G., Fedorov A., Kozlov D., Mechinsky V., Nargelas S., Tamulaitis G., Vaitkevicius A. Engineering of a new single-crystal multi-ionic fast and high-light-yield scintillation material (Gd0.5–Y0.5)3Al2Ga3O12:Ce,Mg. CrystEngComm, 2020, 22(14), P. 2502–2506.

9. Sakthong O., Chewpraditkul W., Pattanaboonmee N., Chewpraditkul W., Yamaji A., Kamada K., Nikl M. Light yield and timing characteristics of Lu0.8Gd2.2(Al5−xGax)O12: Ce,Mg single crystals. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2020, 67(10), P. 2295–2299.

10. Seeley Z., Cherepy N., Payne S. Expanded phase stability of Gd-based garnet transparent ceramic scintillators. J. Mater. Res., 2014, 29(19), P. 2332–2337.

11. Cherepy N., Kuntz J., Roberts J., Hurst T., Drury O., Sanner R., Tillotson T., Payne S. Transparent ceramic scintillator fabrication, properties, and applications. Proc. SPIE, 2008, 7079, P. 263–268.

12. Smyslova V., Kuznetsova D., Bondaray A., Karpyuk P., Korzhik M., Komendo I., Pustovarov V., Retivov V. and Tavrunov D. Advances of the cubic symmetry crystalline systems to create complex, bright luminescent ceramics. Photonics, 2023, 10(5), P. 603.

13. Luo Z., Jiang H., Jiang J. Synthesis of cerium-doped Gd3(Al,Ga)5O12 powder for ceramic scintillators with ultrasonic-assisted chemical coprecipitation method. J. Am. Ceram. Soc., 2013, 96(10), P. 3038–3041.

14. Drozdowski W., Witkowski M., Solarz P., Głuchowski P., Głowacki M., Brylew K. Scintillation properties of Gd3Al2Ga3O12:Ce (GAGG:Ce): a comparison between monocrystalline and nanoceramic samples. Opt. Mater., 2018, 79, P. 227–231.

15. Yang S., Sun Y., Chen X., Zhang Y., Luo Z., Jiang J., Jiang H. The effects of cation concentration in the salt solution on the cerium doped gadolinium gallium aluminum oxide nanopowders prepared by co-precipitation method. IEEE Trans. Nucl. Sci., 2014, 61(1), P. 301–305.

16. Sun Y., Yang S., Zhang Y., Jiang J., Jiang H. Coprecipitation synthesis of gadolinium aluminum gallium oxide (GAGG) via different precipitants. IEEE Trans. Nucl. Sci., 2014, 61(1), P. 306–311.

17. Zhang J., Luo Z., Jiang H., Jiang J., Gui Z., Chen C., Ci M. Sintering of GGAG:Ce3+, xY3+ transparent ceramics in oxygen atmosphere. Ceram. Int., 2017, 43(17), P. 16036–16041.

18. Korzhik M., Alenkov V., Buzanov O., Fedorov A., Dosovitskiy G., Grigorjeva L., Mechinsky V., Sokolov P., Tratsiak Y., Zolotarjovs A., Dormenev V., Dosovitskiy A., Agrawal D., Anniyev T., Vasilyev M., Khabashesku V. Nanoengineered Gd3Al2Ga3O12 scintillation materials with disordered garnet structure for novel detectors of ionizing radiation. Cryst. Res. Technol, 2019, 54(4), P. 1800172.

19. Lamoreaux H., Hildenbrand D., Brewer L. High-temperature vaporization behavior of oxides II. Oxides of Be, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Pb, Zn, Cd, and Hg. J. Phys. Chem. Ref. Data, 1987, 16(3), P. 419–443.

20. Dosovitskiy G., Karpyuk P., Evdokimov P., Kuznetsova D., Mechinsky V., Borisevich A., Fedorov A., Putlayev V., Dosovitskiy A., Korjik M. First 3D-printed complex inorganic polycrystalline scintillator. CrystEngComm, 2017, 19(30), P. 4260–4264.

21. Dosovitskiy G., Dubov V., Karpyuk P., Volkov P., Tamulaitis G., Borisevich A., Vaitkeviˇcius A., Prikhodko K., Kutuzov L., Svetogorov R., Veligzhanin A., Korzhik M. Activator segregation and micro-luminescence properties in GAGG:Ce ceramics. J. Lumin., 2021, 236, P. 118140.

22. Dosovitskiy G., Dubov V., Karpyuk P., Volkov P., Tamulaitis G., Borisevich A., Vaitkeviˇcius A., Prikhodko K., Kutuzov L., Svetogorov R., Veligzhanin A., Korzhik M. Activator segregation and micro-luminescence properties in GAGG:Ce ceramics. J. Lumin., 2021, 236, P. 118140.

23. Kirkin R., Mikhailin V., Vasil’ev A. Recombination of correlated electron-hole pairs with account of hot capture with emission of optical phonons. IEEE Trans. Nucl. Sci., 2012, 59, P. 2057–2064.

24. Vasil’ev A., Korzhik M., Gektin A. Microtheory of scintillation in crystalline materials. Eng. Scint. Mat. Rad. Technol.: Proc. ISMART – Springer Int. Publ., 2017, P. 3-34.

25. Korzhik M., Tamulaitis G., Vasil’ev A. Physics of Fast Processes in Scintillators. Cham : Springer, 2020, 262, P. 250.

26. Vasil’ev A., Gektin A. Multiscale Approach to Estimation of Scintillation Characteristics. IEEE Trans. Nucl. Sci., 2014, 61, P. 235–245.