福州大学杨黄浩团队Angew：通过研究纳米晶体亚晶格中能量动力学过程，实现高性能X射线成像

近年来，溶液法制备的长寿命辐射发光闪烁体因其广泛的应用前景而受到高度关注。它们具有独特的能力将X射线能量吸收、存储并转化，随后在外部环境的激励下缓慢释放能量。理论研究表明，在X射线激发下，闪烁体纳米晶的阴离子迁移会产生晶格缺陷，从而捕获热化电子。进一步地，这些被捕获的电子就像漏斗一样逐步释放，从而维持了辐射发光的持续产生。显然，纳米晶体中载流子扩散和复合的动力学与其辐射发光特性密切相关。然而，目前对于纳米晶体的能量转化动力学的理解还不足。

最近，福州大学杨黄浩教授（点击查看介绍）团队在之前关于闪烁体材料和X射线长余辉材料研发及应用方面的工作基础上（Nature 2018, 561, 88, 点击阅读详细; Nature, 2021, 590, 410, 点击阅读详细; Adv. Mater. 2023, 35, 2309413），提出了关于探测纳米晶格中电荷载流子扩散和复合动力学的新见解。

研究团队通过利用Gd³⁺离子来调控晶体场微环境和纳米晶格的电子结构。同时，引入Mn²⁺掺杂作为探测能量转化动力学的有效辐射发光指标。通过精细控制合成了一系列不同比例的Mn²⁺和Gd³⁺共掺的NaLuF₄纳米闪烁体材料，发现了辐射发光范围在520-580nm内进行调节（图1），同时捕获的电子可以在持续时间从几秒到30天内可控释放。

图1. NaLuF₄:Mn²⁺/Gd³⁺纳米闪烁体的能量漏斗式辐射发光调控

为了研究晶体场和晶格缺陷对能量漏斗式释放的动力学过程，研究团队选取了三种典型的晶型进行研究（图2）。通过光物理测试揭示了Mn²⁺/Gd³⁺共同掺杂对能量的存储和释放能力的有效控制，并展示了电子缺陷深度的可调性，范围从0.66到0.96 eV，相应的缺陷密度在2.38×10⁵至1.34×10⁷ cm^-3之间变化。此外，引入Mn²⁺是异价离子掺杂的过程，通过DFT计算，研究团队佐证通过掺杂驱动的相变和电荷补偿可以实现发射波长的调节和辐射余辉时间的调控。

图2. 通过镧系亚晶格微环境工程，利用Mn²⁺离子作为发光探针来研究的能量漏斗式释放动力学过程。

鉴于NaLuF₄:Mn/Gd的缺陷能级可调性，研究团队制备了不同电子能量存储能力的高分辨率X射线成像板。这些成像板可以根据实际需求选择长时间存储或快速擦除成像，适用于医学成像和工业无损探测领域（图3）。该研究不仅为深入了解纳米晶格中的能量转换动力学提供了途径，还为设计具有多种应用的溶液制备的金属卤化物闪烁体提供了灵感。

图3. 高分辨X射线成像

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，论文的第一作者为福州大学化学学院2021级博士研究生吴钦霞。福州大学的杨黄浩教授、陈秋水教授，福建师范大学覃弦教授为本工作提供了重要指导。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、福建省自然科学基金的大力支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Probing Energy-Funneling Kinetics in Nanocrystal Sublattices for Superior X-ray Imaging 

Qinxia Wu, Xinqi Xu, Xiaokun Li, Hao Jiang, Xian Qin,* Zhongzhu Hong, Xiaofeng Chen, Zhijian Yang, Xiangyu Ou, Lili Xie, Yu He, Sanyang Han, Qiushui Chen*, Huanghao Yang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202404177

研究团队简介

杨黄浩，福州大学副校长、全国先进工作者，先后入选国家杰青、长江、首批新基石研究员。主要从事新型纳米探针、时空分辨化学传感成像与仪器的研究，近年来发展了“溶液制备型纳米闪烁体”的新概念，推动了新型纳米闪烁体在X射线、γ射线等辐射探测，以及无损探伤、放射影像、疾病诊疗领域的创新应用，研发的多款新型X射线探测器正在开展产品定型和应用推广，研究成果入选“中国高等学校十大科技进展”，获福建省自然科学一等奖 2 项。以通讯或共同通讯作者在Nature（2篇）、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Adv. Mater.等发表论文200余篇，总引用次数超过36000次（H因子=99）。

https://www.x-mol.com/groups/yang_huanghao