铈/钕/钐掺杂硼酸铋玻璃的发光特性及其在光电子器件中的应用潜力

本研究针对新型光学材料需求，采用熔融淬火技术制备了50Bi2O3-50B2O3-1A2O3（A=Ce/Nd/Sm）体系玻璃，通过FTIR、光致发光谱等分析发现Ce/Sm掺杂样品具有更高热稳定性，BBi-Ce玻璃呈现88.5%色纯度的红光发射，其高折射率与发光特性为光纤核心材料和红/粉色光电器件开发提供新选择。

　　

在光学材料领域，硼酸盐玻璃因其独特的结构可调性和光学性能备受关注。传统硅酸盐玻璃虽广泛应用，但其高熔点与有限的光学活性限制了特殊场景下的使用。硼酸铋(BBi)玻璃凭借低熔点、高介电常数和优异光学特性崭露头角，但如何通过稀土掺杂实现精准发光调控仍是挑战。尤其随着5G通信和微型激光器发展，开发兼具高热稳定性与特定波长发射的玻璃材料成为迫切需求。

针对这一科学问题，来自阿兹哈尔大学材料科学与玻璃研究实验室的Asmaa Ratep和I. Kashif团队在《Radiation Physics and Chemistry》发表研究，系统考察了Ce³⁺、Nd³⁺和Sm³⁺掺杂对BBi玻璃性能的影响。研究采用熔融淬火技术制备系列玻璃样品，通过X射线衍射(XRD)确认非晶态结构，结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)解析BO₃/BO₄结构单元变化，并利用光致发光谱测定色坐标(CIE)与相关色温(CCT)。

关键实验技术：

1. 熔融淬火法制备50Bi₂O₃-50B₂O₃-1RE₂O₃（RE=Ce/Nd/Sm）玻璃体系
2. XRD分析非晶态特征（2θ=25–35°宽峰）
3. FTIR光谱解析BO₃三角体和BO₄四面体振动模式
4. 光致发光光谱测定CIE坐标与色纯度

研究结果：

1. 结构特征：XRD显示所有样品均呈现典型非晶态弥散峰，FTIR证实稀土掺杂促进BO₄单元形成，其中N₄{BO₄/(BO₄+BO₃)}比值变化与热稳定性正相关。
2. 热性能：Ce/Sm掺杂样品比Nd掺杂样品具有更高化学稳定性，归因于BO₄单元对网络结构的强化作用。
3. 光学特性：折射率测试表明材料适合作为光纤核心，BBi-Ce玻璃CIE坐标位于可见光区，红光发射色纯度达88.5%，且所有样品CCT均符合暖白光器件需求。

结论与意义：
该研究首次系统比较了不同稀土掺杂对BBi玻璃性能的差异化影响。FTIR数据揭示BO₄单元比例与热稳定性的构效关系，为材料设计提供理论依据。BBi-Ce玻璃的高色纯度红光发射特性（88.5%）使其在LED背光源、激光显示等领域具有应用潜力，而高折射率特性则拓展了其在特种光纤中的应用可能。值得注意的是，研究团队发现稀土离子半径与玻璃网络适配性直接影响性能，这为后续开发多稀土共掺玻璃提供了重要参考。

这项工作的创新性在于将传统玻璃体系与稀土发光调控相结合，通过结构-性能关联分析，为开发新一代光功能材料提供了可复制的技术路线。特别是BBi-Ce玻璃优异的红光特性，有望解决当前微型化光电器件中红色荧光材料效率不足的瓶颈问题。