[论文解读] Kinetic Parameters analysis of GdAlO$_3$ based on thermoluminescent phenomenon

D. Nolasco-Altamirano, C. S. Romero-Nuñez+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2024

Luminescence Properties of Advanced MaterialsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本研究采用多种去卷积方法分析了通过共沉淀法制备的合成GdAlO₃磷光体的热释光（TL）动力学参数，确定计算发光曲线去卷积（CGCD）方法在解析重叠峰方面最为有效。结果揭示了具有连续与离散组分的复杂陷阱分布，提供了对剂量测定应用至关重要的详细活化能和频率因子。

ABSTRACT

{We herein report on the calculation of thermoluminescence (TL) kinetic parameters determined from the TL emission of synthetic GdAlO3 (GAO) phosphors prepared by the co-precipitation method. The sample, characterized by means of X-ray diffraction with an orthorhombic phase structure (space group Pnma (62), shows complex glow curves consisting of at least four groups of components peaked at 100, 140, 240, and 290 °C where the two lower overlapped temperature peaks are difficult to identify using the $T_M-T_{stop}$. The coexistence of a continuum in the trap distribution (linked to the lower temperature peaks) and a discrete trap system (associated with the components at temperatures higher than 200 °C) can be distinguished. The estimation of the TL kinetic parameters is performed using GlowFit, TLAnal, the spreadsheet Origin, Computing Glow Curve Deconvolution (CGCD), and various heating rate (VHR) methods. However, only CGCD appears as the suitable technique for such purpose since it provides information on the TL physical process supported by mathematical models based on a linear combination of functions related to the First Order Kinetic approach.

研究动机与目标

• 确定通过共沉淀法合成的GdAlO₃磷光体的热释光（TL）动力学参数。
• 通过分析具有重叠峰的复杂发光曲线，研究GdAlO₃中陷阱中心的性质。
• 比较多种TL分析技术——GlowFit、TLAnal、Origin、VHR和CGCD——在解析动力学参数方面的性能。
• 基于峰形和加热速率行为，区分连续与离散陷阱分布。
• 为潜在的辐射剂量测定应用，提供GdAlO₃中TL行为的全面表征。

提出的方法

• 通过共沉淀法合成GdAlO₃磷光体，并利用X射线衍射（XRD）进行表征，确认其为正交晶系结构（空间群Pnma，编号62）。
• 在不同加热速率下获取热释光发光曲线，以研究动力学行为和峰分辨率。
• 应用多种分析技术：GlowFit用于曲线拟合，TLAnal用于去卷积，Origin用于数据可视化，VHR用于动力学参数估计。
• 采用计算发光曲线去卷积（CGCD）方法，该方法使用一阶动力学函数的线性组合来建模发光曲线。
• 采用$T_{\text{max}} - T_{\text{stop}}$方法评估峰行为，推断陷阱分布类型（连续或离散）。
• 通过比较各方法所得的活化能（$E_a$）、频率因子（$s$）和动力学级数（$b$），评估结果的物理一致性。

Figure 2: Thermoluminescence glow curves of GdAlO 3 after being exposed to 13.2 Gy beta radiation using different heating rate values (0.5 – 10 K/s).

实验结果

研究问题

• RQ1 GdAlO₃中热释光发光峰的动力学参数（活化能、频率因子、动力学级数）是什么？
• RQ2 在解析GdAlO₃中重叠的TL峰时，不同去卷积方法（GlowFit、TLAnal、Origin、VHR、CGCD）的性能如何比较？
• RQ3 GdAlO₃中的陷阱分布性质是连续还是离散的？其在发光曲线形状中如何体现？
• RQ4 加热速率的变化在多大程度上影响峰位置和形状？这如何反映潜在的陷阱机制？
• RQ5 哪种方法能为具有复杂发光曲线的GdAlO₃提供最准确且物理解释一致的TL过程描述？

主要发现

• GdAlO₃的热释光发光曲线至少包含四个组分，分别在100 °C、140 °C、240 °C和290 °C处出现最大值，其中前两个峰重叠，使用$T_{\text{max}} - T_{\text{stop}}$方法难以分辨。
• 较低温区的峰（100 °C和140 °C）与连续陷阱分布相关，而较高温区的峰（240 °C和290 °C）则主要由离散陷阱系统主导。
• 在所测试的方法中，CGCD在解析动力学参数方面提供了最准确且物理解释一致的结果，且与一阶动力学模型相符。
• $T_{\text{max}} - T_{\text{stop}}$方法表明陷阱分布为准连续型，峰位置随停止温度升高而上移。
• VHR方法和峰形分析方法对重叠峰敏感，可能导致误判，尤其对前两个组分影响显著。
• 本研究证实，多方法结合可提高动力学参数估计的可靠性，其中CGCD在处理GdAlO₃中复杂重叠发光曲线时表现最优。

Figure 3: X-ray diffraction pattern of GdAlO 3 powders. The diffraction peaks correspond to an orthorhombic crystal structure in the Pnma (62) space group, consistent with JPCDS Card No. 48-0310. The narrow and sharp (132) and (231) peaks indicate good crystallization characteristics.