Badanie struktury defektowej w nowych rodzajach scyntylacyjnych monokryształów mieszanych granatów lutetowo-itrowo-glinowych [Lu_xY_1-x]₃Al₅O₁₂ (LuYAG) niedomieszkowanych oraz aktywowanych prazeodymem

• Autorzy: Malinowska A. , Wierzbicka E. , Wierzchowski W. , Mazur K. , Romaniec M. , Kisielewski J. , Świrkowicz M. , Szyrski W. , Drozdowski W.

Warianty tytułu

EN

Investigation of the defect structure in the new types of undoped and Pr-doped scintillator single crystals of mixed lutetium-yttrium-aluminum garnets [Lu_xY_1-x]₃Al₅O₁₂ (LuYAG)

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Przedmiotem pracy jest ujawnienie i charakteryzacja realnej struktury nowych typów scyntylacyjnych monokryształów mieszanych granatów lutetowo-itrowo-glinowych (Lu_xY_1-x)₃Al₅O₁₂ (LuYAG) aktywowanych prazeodymem oraz niedomieszkowanych. Badania wykonano przy użyciu konwencjonalnego źródła promieniowania rentgenowskiego metodą rentgenowskiej topografii dwukrystalicznej oraz za pomocą dyfraktometrii wysokorozdzielczej. Wykonano również badania polaryskopowe. Na wybranych próbkach przeprowadzono badanie jednorodności składu chemicznego za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego z przystawką do spektroskopii z dyspersją energii (EDX). Topogramy rentgenowskie przebadanych próbek wskazują na dobrą jakość strukturalną badanych monokryształów. Pewnym problemem strukturalnym zaobserwowanym na wykonanych topogramach dwukrystalicznych są naprężenia sieci, których pierwotną przyczyną są efekty segregacyjne i różne obszary ściankowane.

EN

The present paper concerns revealing and detailed characterization of the real structure of the new scintillator crystals of mixed lutetium-yttrium-aluminum garnets (Lu_xY_1-x)₃Al₅O₁₂ (LuYAG) , either undoped or activated by praseodymium. The characterization of the crystals has been performed by means of the following methods, using conventional X-ray sources: double crystal topography and high resolution diffractometry. Polariscopic investigations have also been performed. Moreover, selected samples have been studied by scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectrometer (EDX) attachment, among others to investigate their chemical homogeneity. The topographs of the analyzed samples indicate a good crystallographic quality of the crystals. Some crystallographic imperfections include residual strains, primarily caused by dopant and chemical composition segregation as well as some facetted regions.

Słowa kluczowe

PL

dyfrakcyjna topografia rentgenowska; defekty sieci krystalicznej; metoda Czochralskiego; materiały scyntylacyjne; mieszane granaty lutetowo-itrowo-glinowe

EN

X-ray diffraction topography; crystal lattice defects; Czochralski method; scintillator crystals; mixed lutetium-yttrium--aluminum garnets

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych
• Czasopismo: Materiały Elektroniczne
• Rocznik: 2015
• Tom: T. 43, nr 1
• Strony: 11--28
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz., rys.

Twórcy

autor

Malinowska A.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Wierzbicka E.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Wierzchowski W.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Mazur K.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Romaniec M.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Kisielewski J.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Świrkowicz M.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Szyrski W.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Drozdowski W.

• Zespół Spektroskopii Materiałów Scyntylacyjnych i Fosforów Instytut Fizyki, Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytet Mikołaja Kopernika, ul. Grudziądzka 5, 87-100 Toruń

Bibliografia

• [1] Ehrentraut D., Yoshikawa A., Fukuda T.: Challenges in growth of high-performance scintillator crystals, J. Optoel. Adv. Mater., 2007, 9(5), 1198 – 1205
• [2] Nikl M., Ogino H., Krasnikov A., Beitlerova A., Yoshikawa A., Fukuda T.: Photo- and radioluminescence of Pr-doped Lu3Al5O12 single crystal, Phys. Status Solidi A, 2005, 202(1), R4 – R6
• [3] Yoshikawa A., Yanagida T., Kamada K., Yokota Y., Pejchal J., Yamaji A., Usuki Y., Yamamoto S., Miyake M., Kumagai K., Sasaki K., dos Santos T. R., Baba M., Ito M., Takeda M., Ohuchi N., Nikl M.: Positron emission mammography using Pr:LuAG scintillator – fusion of optical material study and systems engineering, Opt. Mater., 2010, 32(10), 1294 – 1297
• [4] Kato J., Kataoka J., Nakamori T., Miura T., Matsuda H., Sato K., Ishikawa Y., Yamamura K., Kawabata N., Ikeda H., Sato G., Kamada K.: Development of a large-area monolithic 4 x 4 MPPC array for a future PET scanner employing pixelized Ce:LYSO and Pr:LuAG crystals, Nucl. Instr. Meth. A, 2011, 638(1), 83 – 91
• [5] Wojtowicz A. J., Głodo J., Drozdowski W., Przęgietka K. R.: Electron traps and scintillation mechanism in YAlO3:Ce and LuAlO3:Ce scintillators, J. Lumin., 1998, 79, 275 – 291
• [6] Wojtowicz A. J., Drozdowski W., Wiśniewski D., Wiśniewski K., Przegiętka K. R., Oczkowski H. L., Piters T. M.: Thermoluminescence and scintillation of LuAlO3:Ce, Radiat. Meas., 1998, 29(3 – 4), 323 – 326
• [7] Drozdowski W., Brylew K., Wojtowicz A. J., Kisielewski J., Świrkowicz M., Łukasiewicz T., de Haas J. T. M., Dorenbos P.: 33000 photons per MeV from mixed (Lu0.75Y0.25)3Al5O12:Pr scintillator crystals, Opt. Mater. Express, 2014, 4(6), 1207 – 1212
• [8] Drozdowski W., Brylew K., Chruścińska A., Kamada K., Yanagida T., Yoshikawa A.: Scintillation field enhancement in LuAG:Pr crystals following thermal annealing, Opt. Mater., 2012, 34, 1975 – 1978
• [9] Brylew K., Drozdowski W., Witkowski M. E., Kamada K., Yanagida T., Yoshikawa A.: Effect of thermal annealing in air on scintillation properties of LuAG and LuAG:Pr, Centr. Europ. J. Phys., 2013, 11(1), 138 – 142
• [10] Drozdowski W., Dorenbos P., de Haas J. T. M., Drozdowska R., Owens A., Kamada K., Tsutsumi K., Usuki Y., Yanagida T., Yoshikawa A.: Scintillation properties of praseodymium activated Lu3Al5O12 single crystals, IEEE Trans. Nucl. Sci., 2008, 55(4), 2420 – 2424
• [11] Kamada K., Yanagida T., Endo T., Tsutumi K., Yoshino M., Kataoka J., Usuki Y., Fujimoto Y., Fukabori A., Yoshikawa A.: Large size single crystal growth of Lu3Al5O12:Pr and their uniformity of scintillation properties, J. Cryst. Growth, 2012, 352, 91 – 94
• [12] Derdzyan M. V., Ovanesyan K. L., Petrosyan A. G., Belsky A., Dujardin C., Pedrini C., Auffray E., Lecoq P., Lucchini M., Pauwels K.: Radiation hardness of LuAG:Ce and LuAG:Pr scintillator crystals, J. Cryst. Growth, 2012, 361, 212 – 216
• [13] Sugiyama M., Fujimoto Y., Yanagida T., Totsuka D., Chani V., Yokota Y., Yoshikawa A.: Nd-doped Lu3Al5O12 single-crystal scintillator for X-ray imaging, Radiat. Meas., 2013, 55, 103 – 107
• [14] Ogino H., Yoshikawa A., Lee J-H., Nikl M., Solovieva N., Fukuda T.: Growth and scintillation properties of Yb-doped Lu3Al5O12 crystals, J. Cryst. Growth, 2003, 253, 314 – 318
• [15] Zhuravleva M., Yang K., Spurrier-Koschan M., Szupryczynski P., Yoshikawa A., Melcher C. L.: Crystal growth and characterization of LuAG:Ce:Tb scintillator, J. Cryst. Growth, 2010, 312, 1244 – 1248
• [16] Touš J., Horváth M., Pina L., Blažek K., Sopko B.: High-resolution application of YAG:Ce and LuAG:Ce imaging detectors with a CCD X-ray camera, Nucl. Instr. Meth. A, 2008, 591, 264 – 267
• [17] Sugiyama M., Fujimoto Y., Yanagida T., Yamaji A., Yokota Y., Yoshikawa A.: Growth and scintillation properties of Nd-doped Lu3Al5O12 single crystals by Czochralski and micro-pulling-down methods, J. Cryst. Growth, 2013, 362, 178 – 181
• [18] Yanagida T., Kamada K., Kawaguchi N., Fujimoto Y., Fukuda K., Yokota Y., Chani V., Yoshikawa A.: Basic study of single crystal fibers of Pr:Lu3Al5O12 scintillator for gamma-ray imaging applications, Nucl. Instr. Meth. A, 2011, 652, 256 – 259
• [19] Chewpraditkul W., Sreebunpeng K., Nikl M., Mares J. A., Nejezchleb K., Phunpueok A., WanarakL Ch.: Comparison of Lu3Al5O12:Pr and Bi4Ge3O12 scintillators for gamma-ray detection, Radiat. Meas., 2012, 47, 1 – 5
• [20] Kuwano Y., Suda K., Ishizawa N., Yamada T.: Crystal growth and properties of (Lu,Y)3Al5O12, J. Cryst. Growth, 2004, 260, 159 – 165
• [21] Jiang S., Chen J., Long Y., Lu T.: Atomic structure, electronic structure, and optical properties of YAG (110) twin grain boundary, J. Am. Ceram. Soc., 2012, 95 (12), 3894 – 3900
• [22] Pawlak D. A., Woźniak K., Frukacz Z.: Correlation between structural parameters of garnet and garnet- -like structures, Acta Cryst., 1999, B55, 736 – 744
• [23] Basterfield J., Prescott M. J., Cockayne B.: An X-ray diffraction topographic study of single crystals of melt-grown yttrium aluminium garnet, J. Mater. Sci., 1968, 3, 33 – 40
• [24] Mazur K., Wierzchowski W.: X-ray topographic investigation of growth defects and lattice parameter measurements with in crystals of heavily neodymium doped yttrium aluminium garnet, J. Cryst. Growth, 1995, 148, 345 – 354
• [25] Kołodziejak K., Wierzchowski W., Wieteska K., Malinowski M., Graeff W., Łukasiewicz T.: Investigation of structural perfection and faceting in highly Er-doped Yb3Al5O12 crystals, Cryst. Res. Technol., 2008, 43(4), 396 – 373
• [26] Yadegari M., Asadian M., Saeedi H., Khodaei Y., Mirzaei N.: Formation of gaseous cavity defect during growth of Nd:YAG single crystals, J. Cryst. Growth, 2013, 367, 57 – 61
• [27] Eakins D. E., Held M., Norton M. G., Bahr D. F.: A study of fracture and defects in single crystal YAG, J. Cryst. Growth, 2004, 267, 502 – 509
• [28] Mazur K., Sarnecki J., Borysiuk J., Wierzchowski W., Wieteska K., Turos A.: X-ray study of gadolinium gallium garnet epitaxial layers containing divalent Co ions, Thin Solid Films, 2011, 519, 2111 – 2115
• [29] Bonse U., Kappler E.: Röntgenographisches Abbildung des Verzerrungsfeldeseinzelner Versetzungen in Germanium-Einkristallen, Z. Naturforsch., 1958, 13A, 348 – 349
• [30] Bonse U.: Zurröntgenographishen Bestimmung des Types einelner Versetzungen in Germanium-Einkristallen, Z. Physik, 1958, 153, 278 – 296
• [31] Bond W. L., Andrus J.: Structural imperfections in quartz crystals, Am. Minneralogist, 1952, 37, 622 – 632
• [32] Renninger M., Z. Naturforsch. (a), 1964, 19, 783 – 787
• [33] Bubakova R.: Exact adjustment of monocrystals on many-crystal X-ray equipement, Czech. J. Phys. B 1958, 12, 695 – 702
• [34] Szmid Z., Ler B., Deluga A., Bubakova R., Drahokoupil J., Fingerland A.: Precision triple crystal X-ray spectrometer, Electron Technol., 1973, 6, 31 – 37
• [35] Renninger M.: Beiträgezur doppel diffraktometrische Kristall-Topographiemit Röntgenstrahlen, Z. Angew. Phys., 1965, 19, 20 – 33