该文档属于类型a（单篇原创研究论文报告），以下是针对该研究的学术报告：

一、作者与发表信息

本研究由Qian Wang、Martin Nikl、Shuangliang Cheng、Guohao Ren和Yuntao Wu*（通讯作者）合作完成。作者单位包括：
1. 中国科学院上海硅酸盐研究所（Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences）；
2. 上海大学材料科学与工程学院（Shanghai University）；
3. 捷克科学院物理研究所（Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences）。
论文发表于期刊phys. status solidi rrl，发表日期为2021年9月24日，标题为《Undoped and Tl-doped Cs3Cu2I5 Thin Films as Potential X-ray Scintillators》。

二、学术背景

研究领域与动机

本研究属于X射线闪烁体材料领域。X射线成像技术广泛应用于医疗诊断、安全检测和工业制造，其核心材料分为两类：
1. 直接探测半导体材料（如非晶硒α-Se），但存在高温敏感性、高工作电压等缺陷；
2. 间接探测闪烁体材料（如CsI:Tl薄膜和Gd2O2S:Pr,Ce,F陶瓷），需将X射线转化为可见光。

近年来，低维钙钛矿金属卤化物因强激子限域效应和大斯托克斯位移（Stokes shift）成为高性能闪烁体的候选材料。例如，0D结构的Cs3Cu2I5纳米晶体已实现80,000 photons/MeV的高光产额。然而，关于其薄膜形态的制备与性能研究尚未深入。因此，本研究旨在通过热蒸发法合成未掺杂和铊（Tl）掺杂的Cs3Cu2I5薄膜，评估其作为X射线闪烁体的潜力。

研究目标

1. 验证薄膜的晶体结构、化学稳定性及发光特性；
   
2. 对比掺杂与未掺杂薄膜的闪烁效率（scintillation yield）和余辉（afterglow）性能；
   
3. 探索Tl掺杂对光产额的影响机制。
   

三、研究流程与方法

1. 薄膜制备

• 原料：高纯度CsI（99.999%）、CuI（99.995%）和TlI（99.999%）。
  
• 合成方法：
  
  • 预合成Cs3Cu2I5相：在惰性气氛手套箱中按化学计量比混合原料，密封石英管后于650℃加热24小时。
    
  • 热蒸发沉积：使用真空电阻蒸发镀膜设备（VZZ-300），基底预热至200℃。
    
  • 未掺杂薄膜：单源蒸发Cs3Cu2I5化合物。
    
  • Tl掺杂薄膜：双源同步蒸发Cs3Cu2I5和TlI（1.5 wt%目标掺杂量）。
    
• 对比样品：相同方法制备的CsI:Tl薄膜（厚度6 μm）。
  

2. 表征技术

• 结构分析：X射线衍射（XRD）确认晶体结构和相稳定性（暴露空气10天后复测）。
  
• 成分分析：电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）测定实际Tl浓度（0.9 wt%）。
  
• 形貌观察：场发射扫描电镜（SEM）分析薄膜厚度与断面形貌（未掺杂7 μm，掺杂6 μm）。
  
• 光学性能：
  
  • 光致发光（PL）和激发（PLE）光谱（Horiba Fluorolog-3光谱仪）；
    
  • 光量子产率（PLQY）测试（积分球系统）；
    
  • 荧光寿命（纳秒闪光灯激发）。
    
• 闪烁性能：
  
  • X射线激发发光（RL）光谱（50 kV W靶X射线管）；
    
  • 余辉测试（X射线截止后10秒内记录残余发光）；
    
  • 闪烁衰减曲线（241Am源激发，光电倍增管检测）。
    

四、主要结果

1. 结构与稳定性

• 晶体结构：薄膜为正交晶系（Pnma空间群），优先沿（004）晶面生长；Tl掺杂略微增大晶面间距。
  
• 空气稳定性：暴露空气10天后，XRD未检测到相变，表明材料化学稳定性优异。
  

2. 发光特性

• 未掺杂薄膜：
  
  • 仅存在自陷激子（STE）发射（440 nm），斯托克斯位移1.29 eV，荧光寿命1088 ns，PLQY达76.2%。
    
  • 0D结构导致强激子限域，抑制非辐射复合。
    
• Tl掺杂薄膜：
  
  • 新增Tl相关发射峰（520 nm），STE寿命略降至1055 ns，Tl发射寿命为688 ns，PLQY为64%。
    

3. 闪烁性能

• 光产额：
  
  • 未掺杂和Tl掺杂薄膜的闪烁效率分别为CsI:Tl薄膜的34.9%和36.5%，Tl掺杂未显著提升性能（与单晶结果不同）。
    
  • 可能原因：微晶界面非辐射复合损失；薄膜PLQY低于单晶。
    
• 余辉：X射线截止后5秒内，未掺杂和掺杂薄膜的余辉信号分别降至0.03%和0.05%，比CsI:Tl（0.35%）低一个数量级。
  
• 衰减时间：双指数拟合显示主导慢成分（未掺杂911 ns，掺杂885 ns），可能与STE或缺陷相关。
  

五、结论与价值

1. 科学价值：
   
   • 首次通过热蒸发法制备Cs3Cu2I5薄膜，证实其作为低余辉X射线闪烁体的潜力；
     
   • 揭示了Tl掺杂在薄膜与单晶中光产额增强机制的差异，为界面工程提供新思路。
     
2. 应用价值：
   
   • 高稳定性、无自吸收特性使其适用于动态X射线成像；
     
   • 低余辉特性可减少图像拖影，提升快速成像帧率。
     

六、研究亮点

1. 材料创新：首次将0D钙钛矿Cs3Cu2I5薄膜化，并系统评估其闪烁性能。
   
2. 性能优势：余辉水平显著低于商用CsI:Tl，且具备大斯托克斯位移和高PLQY。
   
3. 方法学：开发了双源热蒸发掺杂工艺，为后续薄膜优化奠定基础。
   

七、其他发现

• Tl掺杂效应：在薄膜中未复现单晶的光产额提升现象，提示界面效应对载流子传输的关键影响。
  
• 未来方向：通过优化Tl浓度和沉积工艺，有望进一步提升薄膜性能。
  

（全文约2000字）