济南大学张玉海团队ACS Nano：柔性透明的纳米陶瓷闪烁体

研究背景

柔性透明纳米复合材料由于其可见光范围内无自吸收效应，使得光输出量得到极大的提升，进而在包括x射线成像、可穿戴电子器件和立体显示等诸多领域都引起了广泛的关注。通过合理组合纳米晶与复合基质，可以有效的提高光输出量，实现柔韧性以及可调的多色发射等特性。通常纳米复合材料的透明度会受到光吸收和光散射的影响。为了降低这种影响，常用策略是采用宽带隙的纳米颗粒以及减少纳米晶的含量。然而，减少纳米晶的添加量会严重降低复合材料的功能特性，反之则会影响纳米复合材料的透明度和柔韧性。

文章亮点

为了解决这一工程性难题，近日，济南大学先进发光材料课题组张玉海团队在ACS Nano上发文，采用刮涂技术制备了柔性透明的 纳米陶瓷复合膜，成功的实现了在~83 wt%的超高负载量下高达~89%的可见光透过率，且能保持很好的柔韧性。并以此为基础，开发了柔性透明的高性能无铅闪烁屏，通过普通X-ray光管（不需要同步辐射光源）实现了超高空间分辨率 4.1 μm（~122 lp/mm）。

内容介绍

图1. 柔性透明陶瓷薄膜的制备及表征

作者采用刮涂技术制备了柔性透明的 纳米陶瓷复合膜，成功的实现了在~83 wt%的超高负载量下高达~89%的可见光透过率，且能保持很好的柔韧性。薄膜表面保持较好的平整度，没有明显的气孔出现，纳米颗粒密集的堆积在薄膜内部，PVA填充在空隙当中，起到粘连的作用。

图2. 实时追踪柔性透明陶瓷膜制备过程

通过对薄膜形成过程的实时追踪，证明了纳米颗粒与复合基体的折射率差是影响薄膜透明度的主要因素。通过比较纳米颗粒在水中以及PVA中的散射截面，发现纳米晶与基质之间的折射率差异越小，其散射截面也就越小。在干燥过程中，随着水含量的减少，混合基质（水+PVA）的折射率逐渐从接近水（n=1.33）转变到接近PVA（n=1.48），折射率差Δn从0.131逐渐减小到0.018。这使得瑞利散射效应被削弱，进而使得可见光透过率增加。

图3. 基于瑞利散射理的模拟透射光及适用性的验证

基于瑞利散射理论，模拟了不同粒径和负载量的纳米复合薄膜的透射光谱，预测了透明区域（大于80%）的存在，这为进一步筛选纳米粒子提供了理论依据。通过设计不同纳米晶种类，不同形态，不同粒径以及不同含量的透明陶瓷薄膜，验证了理论的适用性和可行性。

图4. 柔性透明陶瓷膜闪烁屏

同时，作为一个概念验证，作者利用Tb掺杂纳米颗粒制备的复合薄膜被用作X-ray闪烁屏，展示了其与商业闪烁体LYSO相比拟的光产额以及检测限，并在实验室内实现了超高的空间分辨率 4.1 μm（~122 lp/mm）。

英文原题：Flexible and Transparent Ceramic Nanocomposite for Laboratory X-ray Imaging of Micrometer Resolution

通讯作者：张玉海，济南大学

作者：张相周，石一涵，王晓佳，刘烨齐

作者简介

张相周， 博士研究生，2020 年加入济南大学张玉海教授团队。主要研究方向为氟化物纳米晶的宏量制备及其闪烁体方向的应用。以第一作者或共同作者身份发表SCI论文7篇，包括ACS nano，Adv. Opt. Mater.等知名学术期刊。

张玉海，教授，博士生导师，济南大学前沿交叉科学研究院先进发光材料课题组组长。近年来，主要研究方向集中于卤化物发光材料的开发与应用，在高质量超薄闪烁体屏方面进行了有益的探索，取得若干原创性成果。目前，以第一作者或通讯作者身份在国际著名学术期刊上发表 SCI 收录论文 30 余篇,被引总计 3000 余次, h 因子为 25，包括 Nature Commun., Nature Nanotechnol., J.Am.Chem.Soc., Angew. Chem. Int. Ed. 等国际著名学术期刊。

课题组长期招聘发光材料或光学专业的博士后、讲师、及副教授，有意向者联系 ifc_zhangyh@ujn.edu.cn。

本文由作者供稿