閃爍體光子晶體結(jié)構(gòu)及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種閃爍體，特別是涉及一種閃爍體光子晶體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還涉及上述閃爍體光子晶體結(jié)構(gòu)的制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在輻射探測(cè)領(lǐng)域，閃爍體是指與射線(xiàn)或粒子等輻射作用后能夠產(chǎn)生熒光的物質(zhì)。通俗的講，閃爍體功能就是將輻射沉積在其中的能量轉(zhuǎn)換為熒光光子釋放出來(lái)。閃爍探測(cè)器一般由閃爍體和光電探測(cè)器構(gòu)成，其中閃爍體使得福射沉積的能量轉(zhuǎn)換為焚光光子，光電探測(cè)器探測(cè)閃爍體熒光并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射的探測(cè)。從光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)中可以獲得輻射場(chǎng)粒子的種類(lèi)、時(shí)間、能量、位置、動(dòng)量等信息。因此，閃爍探測(cè)器廣泛應(yīng)用于地面核輻射探測(cè)、空間射線(xiàn)探測(cè)和粒子物理及核物理實(shí)驗(yàn)研究等。
[0003]閃爍體的光輸出對(duì)閃爍探測(cè)器的能量分辨、本征探測(cè)效率等具有決定性影響。高光輸出的閃爍體一直是國(guó)內(nèi)外核輻射探測(cè)領(lǐng)域的重要追求目標(biāo)之一。閃爍體的光輸出由閃爍體本征光產(chǎn)額和光提取效率共同決定。目前使用的大部分商用閃爍體本征光產(chǎn)額已經(jīng)接近其本征發(fā)光效率的理論極限，通過(guò)生長(zhǎng)工藝提高閃爍體本征光產(chǎn)額變得越來(lái)越困難。然而，另一方面實(shí)際應(yīng)用中的光提取效率并不高。這是因?yàn)榇蟛糠珠W爍體的折射率較大，其折射率系數(shù)通常介于1.4?3.0之間，光從閃爍體內(nèi)向空氣或其他介質(zhì)傳輸時(shí)的全反射角較小，導(dǎo)致大部分閃爍熒光被限制在閃爍體內(nèi)無(wú)法直接出射。以折射率為2.0的閃爍體為例，其與空氣界面上的全反射角為30°，理論計(jì)算表明只有13%的閃爍光能夠自由地從閃爍體出射到空氣中，其余的閃爍熒光則經(jīng)過(guò)多次反射后被閃爍體吸收或從閃爍體邊緣出射。這種多次反射的過(guò)程降低了閃爍體的光輸出，是限制閃爍體能量分辨、時(shí)間性能和閃爍體應(yīng)用于低能射線(xiàn)探測(cè)的重要因素。
[0004]可以利用光子晶體結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)和操控閃爍體的熒光光子改變閃爍體發(fā)光參數(shù)。光子晶體是一類(lèi)在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計(jì)和制造的晶體。與半導(dǎo)體晶格對(duì)電子波函數(shù)的調(diào)制類(lèi)似，光子晶體能夠調(diào)制具有相應(yīng)波長(zhǎng)的電磁波。當(dāng)發(fā)射光沿著大于全反射角的方向到達(dá)閃爍體-空氣界面時(shí)，在界面處會(huì)發(fā)生全反射，這限制了光的出射。發(fā)生全反射時(shí)，電磁場(chǎng)在界面的空氣一側(cè)大約一個(gè)波長(zhǎng)的高度處會(huì)形成非傳播形式的能量分布，即衰逝場(chǎng)。如果在該區(qū)域布置了一層具有周期結(jié)構(gòu)的光子晶體，衰逝場(chǎng)與光子晶體耦合作用，當(dāng)光子晶體的幾何參數(shù)滿(mǎn)足一定條件時(shí)，這些非傳播形式的電磁場(chǎng)將會(huì)被光子晶體衍射，使其成為傳播形式的電磁場(chǎng)即光子發(fā)射，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)光的提取。
[0005]文南犬 I “Broadband light output enhancement for scintillatorusing whispering-gallery modes in nanospheres.Phys.Status Solidi A.2014 ；211 (7)，1583?1588”公開(kāi)了一種采用自組裝方法在閃爍體表面制備的微球陣列構(gòu)成的光子晶體結(jié)構(gòu)，并申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利(一種利用表面光子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的高光提取效率閃爍體”(中國(guó)專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?01410496266.X)。該方法通過(guò)漂浮在去離子水表面的聚苯乙烯微球在分子力作用下，自組裝形成六角形周期性排列的光子晶體結(jié)構(gòu)。這些光子晶體結(jié)構(gòu)可以提高閃爍體光提取效率。由于自組裝方法制備的光子晶體結(jié)構(gòu)在宏觀面積上是由許多具有不同取向的局域籌構(gòu)成，這使得該方法制作的光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)光對(duì)方向的依賴(lài)不如理論仿真結(jié)果完美，限制了該類(lèi)光子晶體的應(yīng)用。
[0006]納米壓印是近十年來(lái)半導(dǎo)體領(lǐng)域新興的一種微納結(jié)構(gòu)制作技術(shù)。文獻(xiàn)2“一種利用納米壓印技術(shù)快速制備藍(lán)寶石圖形襯底的方法”(中國(guó)專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?01210483894.5)中，利用納米壓印技術(shù)制作了藍(lán)寶石襯底的納米尺度圖形；文獻(xiàn)3“一種基于納米壓印制備GaN基光子晶體LED的方法”(中國(guó)專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?01110087571.X)中，制備了 GaN基的光子晶體LED0也有不少利用納米壓印技術(shù)在半導(dǎo)體上制作光子晶體的裝置的專(zhuān)利，如文獻(xiàn)4 “用于藍(lán)寶石襯底圖形化的納米壓印裝置及方法”(中國(guó)專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?0110049910.X)、文獻(xiàn)5“一種整片圓納米壓印光刻機(jī)”(中國(guó)專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?01110266251.0)、文獻(xiàn)6 “整片晶圓納米壓印的裝置”(中國(guó)專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?01220673702.3)等。在以上文獻(xiàn)中，其納米壓印技術(shù)最后都是在半導(dǎo)體上制作微納結(jié)構(gòu)，且光刻膠(一種有機(jī)聚合物)在其中主要發(fā)揮光刻過(guò)程的掩膜板作用。事實(shí)上，類(lèi)似于光刻膠的這樣的透明狀有機(jī)聚合物通過(guò)納米壓印技術(shù)可直接形成周期性分布的結(jié)構(gòu)，作為光子晶體使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服現(xiàn)有閃爍體光輸出效率低的不足，本發(fā)明提供一種閃爍體光子晶體結(jié)構(gòu)。該閃爍體光子晶體結(jié)構(gòu)包括閃爍體和光子晶體兩部分，光子晶體由一系列成六角型或四邊型周期性排列光子晶體微結(jié)構(gòu)構(gòu)成。光子晶體制作方法包括陽(yáng)模板制作、陰模板制作、聚合物涂覆及固化、脫模處理等步驟。由于在閃爍體表面制作一層尺度與閃爍體發(fā)光波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)闹芷谂挪脊庾泳w微結(jié)構(gòu)，通過(guò)光子晶體微結(jié)構(gòu)組成的光子晶體對(duì)閃爍體熒光的調(diào)制作用，降低閃爍體熒光在界面處的全反射和閃爍體內(nèi)部光的多次散射，使閃爍熒光盡快從閃爍體表面出射出來(lái)，提高了閃爍體光輸效率。
[0008]本發(fā)明還提供上述閃爍體光子晶體結(jié)構(gòu)的制作方法。
[0009]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種閃爍體光子晶體結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是包括閃爍體2及光子晶體1，光子晶體I緊密貼合于閃爍體2的表面，光子晶體I由呈六角形或四邊形周期排列的光子晶體微結(jié)構(gòu)101組成，光子晶體I由透明的有機(jī)聚合物材料通過(guò)紫外光照、加熱或輻照方式固化而成。
[0010]所述光子晶體微結(jié)構(gòu)101是圓柱型、錐狀、長(zhǎng)方體型或多面體型的任一種。
[0011]所述光子晶體微結(jié)構(gòu)101間距為200?2000nm，高度為50?800nm。
[0012]所述光子晶體微結(jié)構(gòu)101是圓柱型時(shí)，其直徑為100?lOOOnm。
[0013]所述光子晶體微結(jié)構(gòu)101是錐狀時(shí)，其最大邊長(zhǎng)為100?lOOOnm。
[0014]所述光子晶體微結(jié)構(gòu)101是長(zhǎng)方體型時(shí)，其寬度和長(zhǎng)度為100?lOOOnm。
[0015]所述光子晶體微結(jié)構(gòu)101是多面體型時(shí)，其邊長(zhǎng)為100?lOOOnm。
[0016]—種上述閃爍體光子晶體結(jié)構(gòu)的制作方法，其特點(diǎn)是采用以下步驟:
[0017]步驟一、依據(jù)閃爍體2發(fā)射的熒光與介質(zhì)的電磁作用規(guī)律，獲得與閃爍體2發(fā)光特性最優(yōu)匹配的光子晶體微結(jié)構(gòu)101的尺寸，并在基片上制作與計(jì)算的光子晶體微結(jié)構(gòu)101尺寸相同的正向微結(jié)構(gòu)301，具有正向微結(jié)構(gòu)301的基片即為陽(yáng)模板3。
[0018]步驟二、在陽(yáng)模板3有正向微結(jié)構(gòu)301的一面表面澆注一層聚二甲基硅氧烷，聚二甲基硅氧烷將自然展開(kāi)并充滿(mǎn)正向微結(jié)構(gòu)301的間隙，等待聚二甲基硅氧烷固化后將其與陽(yáng)模板3分開(kāi)，得到一個(gè)聚二甲基硅氧烷制成的、一面有反式微結(jié)構(gòu)401的陰模板4。
[0019]步驟三、在閃爍體2表面旋涂一層透明的有機(jī)聚合物5，將陰模板4帶有反式微結(jié)構(gòu)401的一面覆于有機(jī)聚合物5之上，對(duì)陰模板4施加壓力使有機(jī)聚合物5充滿(mǎn)反式微結(jié)構(gòu)401的間隙，利用紫外光照、輻照或加熱方法使有機(jī)聚合物5逐漸固化成型。
[0020]步驟四、保持有機(jī)聚合物5與閃爍體2表面緊密貼合，并將陰模板4與固化后的有機(jī)聚合物5分離，填充進(jìn)入反式微結(jié)構(gòu)401間隙的有機(jī)聚合物5固化即形成光子晶體微結(jié)構(gòu)101，固化后的整個(gè)有機(jī)聚合物5即為光子晶體I。
[0021]所述制作陽(yáng)模板3的基片，其表面粗糙度小于lOOOnm。
[0022]所述陽(yáng)模板3上澆筑的聚二甲基硅氧烷厚度不小于陽(yáng)模板3的正向微結(jié)構(gòu)301高度；閃爍體2表面旋涂的有機(jī)聚合物5厚度不大于陽(yáng)模板3的正向微結(jié)構(gòu)301的高度。
[0023]本發(fā)明的有益效果是:該閃爍體光子晶體結(jié)構(gòu)包括閃爍體和光子晶體兩部分，光子晶體由一系列成六角型或四邊型周期性排列光子晶體微結(jié)構(gòu)構(gòu)成。光子晶體制作方法包括陽(yáng)模板制作、陰模板制作、聚合物涂覆及固化、脫模處理等步驟。由于在閃爍體表面制作一層尺度與閃爍體發(fā)光波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)闹芷谂挪脊庾泳w微結(jié)構(gòu)，通過(guò)光子晶體微結(jié)構(gòu)組成的光子晶體對(duì)閃爍體熒光的調(diào)制作用，降低閃爍體熒光在界面處的全反射和閃爍體內(nèi)部光的多次散射，使閃爍熒光盡快從閃爍體表面出射出來(lái)，提高了閃爍體光輸效率。
[0024]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1是本發(fā)明閃爍體光子晶體結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0026]圖2是本發(fā)明閃爍體光子晶體結(jié)構(gòu)制作方法的流程圖。
[0027]圖3是本發(fā)明方法制作的閃爍體光子晶體結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微照片。
[0028]圖4是表面有無(wú)光子晶體結(jié)構(gòu)的閃爍體在紫外光激發(fā)下的光輸出對(duì)比圖。
[0029]圖5是表面有無(wú)光子晶體結(jié)構(gòu)的閃爍體在X射線(xiàn)激發(fā)下的光輸出對(duì)比圖。
[0030]圖中，1-光子晶體，101-光子晶體微結(jié)構(gòu)，2-閃爍體，3-陽(yáng)模板，301-正向微結(jié)構(gòu)，4-陰模板，401-反式微結(jié)構(gòu)，5-有機(jī)聚合物。
【具體實(shí)施方式】
[0031]以下實(shí)施例參照?qǐng)D1-5。
[0032]實(shí)施例1。本發(fā)明閃爍體