Оптические характеристики монокристаллического материала Gd3Al2Ga3O12 : Ce

В настоящее время появляются новые технологии детектирования высокоэнергетических излучений, для которых применяются материалы, легированные ионами редкоземельных элементов. Существует большая потребность в разработке новых неорганических сцинтилляторов для медицинского применения, в частности для детектирования рентгеновского и гамма-излучений. В этом случае сцинтилляционные материалы должны отвечать основным требованиям: высокое оптическое качество, высокое значение световыхода, быстрое время реагирования и др. К таким материалам относится сцинтилляционный кристалл Gd₃Al₂Ga₃O₁₂ : Ce (GAGG : Ce). На сегодняшний день оптические характеристики GAGG : Ce исследованы недостаточно. В связи с этим методом оптической спектроскопии в диапазоне длин волн 200—750 нм измерены спектральные зависимости пропускания и отражения таких кристаллов. Для кристаллов GAGG : Ce определены значения показателей поглощения и преломления, коэффициенты экстинкции, проведена оценка значения оптической ширины запрещенной зоны. Для определения значений показателей преломления использованы два спектрофотометрических метода: по измеренным углам Брюстера и по коэффициенту отражения при малом угле падения света, близком к нормальному. На основании полученных результатов построены дисперсионные зависимости показателей преломления.

1. Somlai-Schweiger I., Schneider F. R., Ziegler S. I. Performance analysis of digital silicon photomultipliers for PET // J. Instrumentation. 2015. V. 10. P. 05005. DOI: 10.1088/1748-0221/10/05/P05005

2. Yeom J. Y., Yamamoto S., Derenzo S. E., Spanoudaki V. C., Kamada K., Endo T., Levin C. S. First performance results of Ce: GAGG scintillation crystals with silicon photomultipliers // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2013. V. 60, N 2. P. 988—992. DOI: 10.1109/TNS.2012.2233497

3. Bok J., Lalinský O., Hanuљ M., Onderišinová Z., Kelar J., Kučera M. GAGG: Ce single crystalline films: New perspective scintillators for electron detection in SEM // Ultramicroscopy. 2016. V. 163. P. 1—5. DOI: 10.1016/j.ultramic.2016.01.003

4. Lecoq P. Development of new scintillators for medical applications // Nuclear Instrum. and Meth. in Phys. Res. A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2016. V. 809. P. 130—139. DOI: 10.1016/j.nima.2015.08.041

5. Seitz B., Stewart A. G., O’Neill K., Wall L., Jackson C. Performance evaluation of novel SiPM for medical imaging applications // IEEE Nuclear Sci. Symp. and Medical Imaging Conf. (NSS/MIC). Seoul (South Korea), 2013. P. 1—4. DOI: 10.1109/NSSMIC.2013.6829685

6. Kamada K., Yanagida T., Endo T., Tsutumi K., Usuki Y., Nikl M., Fujimoto Y., Yoshikawa A. 2-inch size single crystal growth and scintillation properties of new scintillator; Ce : Gd3Al2Ga3O12 // IEEE Nuclear Sci. Symp. Conf. Rec. Valencia (Spain), 2011. P. 1927— 1929. DOI: 10.1109/NSSMIC.2011.6154387

7. Kanai T., Satoh M., Miura I. Characteristics of a nonstoichiometric Gd3+∆(Al,Ga)5-∆O12:Ce garnet scintillator // J. Amer. Ceramic Soc. 2008. V. 91, Iss. 2. P. 456—462. DOI: 10.1111/j.15512916.2007.02123.x

8. Tyagi M., Meng F., Koschan M., Donnald S. B., Rothfuss H., Melcher C. L. Effect of codoping on scintillation and optical properties of a Cedoped Gd3Ga3Al2O12 scintillator // J. Phys. D: Appl. Phys. 2013. V. 46, N 47. P. 475302. DOI: 10.1088/0022-3727/46/47/475302

9. Kozlova N. S., Busanov O. A., Zabelina E. V., Kozlova A. P., Kasimova V. M. Optical properties and refractive indices of Gd3Al2Ga3O12 : Ce3+ crystals // Crystallogr. Rep. 2016. V. 61, Iss. 3. P. 474—478. DOI: 10.1134/S1063774516030160

10. Шаскольская М. П. Кристаллография. М.: Высшая шк., 1984. 376 с.

11. Shannon R. D. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides // Acta Cryst. A. 1976. V. 32, Iss. 5. P. 751—767. DOI: 10.1107/S0567739476001551

12. Wu Y., Luo Z., Jiang H. Meng F., Koschan M., Melcher C. L. Single crystal and optical ceramic multicomponent garnet scintillators: A comparative study // Nuclear Instrum. and Meth. in Phys. Res. A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2015. V. 780. P. 45—50. DOI: 10.1016/j.nima.2015.01.057

13. Asami K., Ueda J., Tanabe S. Trap depth and color variation of Ce3+ -Cr3+ co-doped Gd3(Al, Ga)5O12 garnet persistent phosphors // Optical Mater. 2016. V. 62. P. 171—175. DOI: 10.1016/j. optmat.2016.09.052

14. Wu Y., Nikl M., Jary V., Ren G. Thermally induced ionization of 5d1 state of Ce3+ ion in Gd3Ga3Al2O12 host // Chemical Phys. Lett. 2013. V. 574. P. 56—60. DOI: 10.1016/j.cplett.2013.04.068

15. Wu Y., Meng F., Li Q., Koschan M., Melcher C. L. Role of Ce4+ in the scintillation mechanism of codoped Gd3Ga3Al2O12:Ce // Phys. Rev. Applied. 2014. V. 2, Iss. 4. P. 044009. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.2.044009

16. Kitaura M., Sato A., Kamada K., Ohnishi A., Sasaki M. Phosphorescence of Cedoped Gd3Al2Ga3O12 crystals studied using luminescence spectroscopy // J. Appl. Phys. 2014. V. 115, Iss. 8. P. 083517. DOI: 10.1063/1.4867315

17. Касимова В. М, Бузанов О. А., Козлова Н. С., Козлова А. П. Сцинтилляционный материал Gd3Al2Ga3O12 : Се // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2015. Т. 15, № 2. С. 79—82.

18. Kobayashi M., Tamagawa Y., Tomita S., Yamamoto A., Ogawa I., Usuki Y. Significantly different pulse shapes for γ− and α−rays in d3Al2Ga3O12:Ce3+ scintillating crystals // Nucl. Instrum. and Meth. in Phys. Res. A: celerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2012. V. 694. P. 91-94. DOI: 10.1016/j.nima.2012.07.055

19. Tamagawa Y., Inukai Y., Ogawa I., Kobayashi M. Alpha-gamma pulse-shape discrimination in Gd3Al2Ga3O12 (GAGG) : Ce3+ crystal scintillator using shape indicator // Nucl. Instrum. and Meth. in Phys. Res. A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2015. V. 795. P. 192—195. DOI: 10.1016/j.nima.2015.05.052

20. Kamada K., Shoji Y., Kochurikhin V. V., Okumura S., Yamamoto S., Nagura A., Yeom J. Y., Kurosawa S., Yokota Y., Ohashi Y., Nikl M., Yoshikawa A. Growth and scintillation properties of 3 in. diameter Ce doped Gd3Ga3Al2O12 scintillation single crystal // J. Cryst. Growth. 2016. V. 452. P. 81—84. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.04.037

21. Kozlova N. S., Kozlova A. P., Goreeva Zh. A. Spectrophotometric methods and their capabilities to study material optical parameters // IEEE 2nd Internat. Ural Conf. on Measurements (UralCon). Chelyabinsk (Russia), 2017. P. 281—288. DOI: 10.1109/URALCON.2017.8120724

22. Palik E. D. Handbook of optical constants of solids. N-Y.: Academic Press, 1998. 3224 p.

23. Борисенко С. И., Ревинская О. Г., Кравченко Н. С., Чернов А. В. Показатель преломления света и методы его экспериментального определения. Томск: Томский политехнический университет, 2014. 146 с.

24. Stephenson D. Modeling variation in the refractive index of optical glasses. Thesis. NY.: Rochester Institute of Technology, 1990. 163 p. URL: http://scholarworks.rit.edu/theses

25. Вавилов В. С. Действие излучений на полупроводники. М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит-ры, 1963. 264 с.

26. Kitaura M., Sato A., Kamada K., Kurosawa S., Ohnishi A., Sasaki M., Hara K. Photoluminescence studies on energy transfer processes in ceriumdoped Gd3Al2Ga3O12 crystals // Optical Mater. 2015. V. 41. P. 45—48. DOI: 10.1016/j.optmat.2014.12.040

27. Bartosiewicz K., Babin V., Kamada K., Yoshikawa A., Nikl M. Energy migration processes in undoped and Cedoped multicomponent garnet single crystal scintillators // J. Luminescence. 2015. V. 166. P. 117—122. DOI: 10.1016/j.jlumin.2015.05.015

28. Zhaohua Luo, Haochuan Jiang, Jun Jiang, Rihua Mao. Microstructure and optical characteristics of Ce : Gd3(Ga, Al)5O12 ceramic for scintillator application // Ceramics International. 2015. V. 41, Iss. 1, Pt A. P. 873—876. DOI: 10.1016/j.ceramint.2014.08.137

29. Auffray E., Augulis R., Borisevich A., Gulbinas V., Fedorov A., Korjik M., Lucchini M. T., Mechinsky V., Nargelas S., Songaila E., Tamulaitis G., Vaitkevičius A., Zazubovich S. Luminescence rise time in self-activated PbWO4 and Cedoped Gd3Al2Ga3O12 scintillation crystals // J. Luminescence. 2016. V. 178. P. 54—60. DOI: 10.1016/j.jlumin.2016.05.015

30. Marcus P. Corrosion mechanism in theory and practice. N-Y: CRC Press, 2012. 930 p.

31. Xu Y. N., Ching W. Y., Brickeen B. K. Electronic structure and bonding in garnet crystals Gd3Sc2Ga3O12, Gd3Sc2Al3O12, and Gd3Ga3O12 compared to Y3Al5O12 // Phys. Rev. B. 2000. V. 61, Iss. 3. P. 1817. DOI: 10.1103/PhysRevB.61.1817

32. Rawat S., Tyagi M., Netrakanti P. K., Kashyap V. K. S., Mitra A., Singh A. K., Desai D. G., Kumar G. A., Gadkari S. C. Pulse shape discrimination properties of Gd3Ga3Al2O12 : Ce, B single crystal in comparison with CsI : Tl // Nucl. Instrum. and Meth. in Phys. Res. A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2016. V. 840. P. 186—191. DOI: 10.1016/j.nima.2016.09.060

33. Hassanien A. S., Akl A. A. Effect of Se addition on optical and electrical properties of chalcogenide CdSSe thin films // Superlattices and Microstructures. 2016. V. 89. P. 153—169. DOI: 10.1016/j.spmi.2015.10.044

34. Jacob R., Isac J. Band gap energy profile of BSFT Ba0.6Sr0.4FexTi(1−x)O3−∆ (x = 0.1) // Int. J. Sci. Res. Publ. 2014. V. 4, Iss. 12, P. 1—6. URL: http://www.ijsrp.org/research-paper-1214.php?rp=P363435

35. Banerjee A. N., Maity R., Chattopadhyay K. K. Preparation of ptype transparent conducting CuAlO2 thin films by reactive DC sputtering // Mater. Lett. 2004. V. 58, Iss. 1–2. P. 10—13. DOI: 10.1016/S0167-577X(03)00395-1

36. Mishra V., Sagdeo A., Warshi K., Rai H. M., Saxena S. K., Kumar R., Sagdeo P. R. Metastable behavior of Urbach tail states in BaTiO3 across phase transition // arXiv: Condensed Matter. 2016. URL: https://arxiv.org/abs/1612.06756

37. Kozlova N. S., Goreeva Zh. A., Zabelina Ev. V. Testing quality assurance of single crystals and stock on their base. IEEE 2nd Internat. Ural Conf. on Measurements (UralCon). Chelyabinsk (Russia), 2017, pp. 15—22. DOI: 10.1109/URALCON.2017.8120681