综述：基于LaAlO3:Tb3+的发光玻璃的悬浮合成方法，该玻璃具有改良的光谱特性

《Journal of Luminescence》：Levitation synthesis of luminescent glasses based on LaAlO 3:Tb3+ with modified spectroscopic properties

气浮法合成LaAlO3:Tb3?非晶材料，比较固态反应与共沉淀法对材料结构和光谱性能的影响。共沉淀法因引入晶格缺陷导致Tb3?氧化为Tb??，阻碍能量转移。

　　

N. Miniajluk-Gawe?|B. Bondzior|A. Chudzyńska|P.J. Dereń

波兰科学院低温与结构研究所，Okolna 2号，50-422 弗罗茨瓦夫，波兰

摘要

通过空气动力学悬浮法，从LaAlO₃:Tb³⁺钙钛矿粉末（通过固态反应或共沉淀法制备）中制备了掺杂了Tb³⁺离子（约1.0摩尔%）的球形非晶LaAlO₃。系统地研究了这些制备方法对所得非晶LaAlO₃:Tb³⁺光谱行为的影响。对粉末和非晶颗粒进行了结构表征（XRD、SEM、EDS）和光谱分析（发射/激发光谱、衰减曲线）。结果表明，制备方法显著影响了材料性能：共沉淀法引入了晶格缺陷，这些缺陷促进了Tb³⁺氧化为Tb⁴⁺，进而阻碍了Tb³⁺离子之间的能量传递。这指出了共沉淀法的一个关键缺点。

引言

透明材料（如玻璃和陶瓷）正在逐步取代光学或电子领域中昂贵的单晶。特别是基于氧化铝的玻璃和陶瓷，由于具有优异的物理和化学性能而开始发挥重要作用。LaAlO₃是一种有前景的化合物，它具有高硬度、优异的化学抗性以及约6.1 eV的宽透射范围等理想特性[1]，同时其元素成本较低。遗憾的是，传统的玻璃铸造方法无法制备LaAlO₃玻璃。然而，空气动力学悬浮法提供了这种可能性，正如[2]中所展示的，确实可以制备出LaAlO₃玻璃。此外，用其他稀土离子（如Tb³⁺）掺杂可以有效地改变LaAlO₃玻璃的光学性能，从而获得具有强发光特性的新材料。这些离子在近紫外激发或电子跃迁⁵D₄→⁷F_{J [3]后会在可见光范围内产生强烈发射。因此，许多掺铽的材料被用于白光二极管（WLED）、显示器中的绿色发光元件以及半导体激光器[4]。}

LaAlO₃:Tb³⁺粉末的制备可以通过多种方法实现，例如固态反应、共沉淀和溶胶-凝胶法[5]、[6]。已有研究描述了LaAlO₃:Tb³⁺纳米晶体[7]和单晶[3]的发光特性，但据我们所知，尚无文献报道掺杂Tb³⁺离子的非晶LaAlO₃的光学性质。

非晶材料的制备可以采用多种悬浮技术，例如声学悬浮、空气动力学悬浮、电磁悬浮或静电悬浮[9]。由于操作简单且成本低廉，空气动力学悬浮是最常用的方法。这是一种有效制备传统方法无法得到的玻璃的技术。空气动力学悬浮法（也称为气体悬浮法）利用CO₂激光在高速气流中熔化材料。通过控制所用气体（例如氧气）可以影响阳离子的氧化程度[9]。由于样品不与腔室和喷嘴壁接触，可以调节温度和加热时间等工艺参数，同时激光关闭后样品的冷却速率非常快，因此能够制备出非晶材料。

在本研究中，我们探讨了利用空气动力学悬浮法从掺杂了Tb³⁺的多晶LaAlO₃钙钛矿中制备非晶LaAlO₃的可能性。本研究重点比较了通过固态反应和共沉淀法制备的多晶LaAlO₃:Tb³⁺以及通过空气动力学悬浮法制备的玻璃的结构和光谱性质。对比这些不同制备方法将有助于了解制备过程对LaAlO₃:Tb³⁺多晶和由此制备的非晶材料光谱性质的影响。研究结果可能有助于开发用于新型光电和发光设备的新功能材料，增进对其光谱特性的理解，并为现代技术应用提供参考。

样本制备

样品制备

采用两种不同的合成方法制备了一系列具有单一钙钛矿结构的多晶粉末，化学式为La_1-xTb_xAlO₃（x = 0.001, 0.0025, 0.005, 0.01, 0.02, 0.05）：传统的高温固态反应法（s-s）和共沉淀法（c-p）。

在固态反应法中，使用了La₂O₃（Alfa Aesar，Thermo Scientific，99.99%）、Al₂O₃（Alfa Aesar，99.98%）和Tb₄O₇（Alfa Aesar，99.998%）作为原料。原料按化学计量比混合。

结果与讨论

XRD图谱（见图1a和b）中观察到的峰的数量和位置证实了所得材料具有LaAlO₃钙钛矿结构（ICDD卡片编号96-220-6577）。结构精修（图1c和d）显示，通过固态反应法制备的材料为单相；而在共沉淀法（P_c-p）制备的材料中存在额外的La₂O₃相（ICDD卡片编号01-074-1144，图1c中用星号标出）。

两种制备方法所得样品的XRD图谱存在显著差异。

结论

我们的目标是制备掺杂铽离子的非晶LaAlO₃并研究其光谱性质。这种新型材料具有高折射率，可用于制造微型光学元件。我们将它的光学性质与通过共沉淀（c-p）和固态反应（s-s）法制备的多晶LaAlO₃:Tb₃₊进行了比较，为使用这些合成技术的研究人员提供了宝贵信息。

XRD分析表明，共沉淀法（P_c-p）制备的样品表现出铝的特征。

CRediT作者贡献声明

Bartosz Bondzior：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，方法学设计，数据分析。Natalia Miniajluk-Gawe?：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，数据可视化，项目管理，方法学设计，数据分析，概念构思。Przemys?aw Jacek Dereń：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，项目监督，数据分析。Aleksandra Chudzyńska：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益或个人关系：Natalia Miniajluk Gawel的研究工作得到了波兰科学院低温与结构研究所的支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。