钒钛离子低浓度掺杂对硼磷酸盐玻璃结构及光学性能的调控机制研究

【编辑推荐】本研究通过熔融淬冷法合成V2O5/TiO2掺杂的P2O5-B2O3-BaO玻璃体系，揭示了过渡金属离子价态（VO2+、Ti3+等）对玻璃网络结构（NBOs、BO4单元）和光学特性（EPR、PL发射）的协同调控作用。0.75 mol%掺杂样品表现出CIE坐标（0.26,0.31）的白光发射特性，为光子器件设计提供了新材料基础。

　　

在光电材料领域，硼磷酸盐玻璃因其独特的网络结构可调性和优异的化学稳定性备受关注。然而，如何通过低浓度掺杂精准调控其光学性能，尤其是实现白光发射等特定功能，仍是当前研究的难点。传统玻璃体系往往面临过渡金属离子价态不可控、发光效率低等问题。针对这一挑战，印度国家理工学院卡纳塔克分校的研究团队在《Optical Materials》发表论文，系统探究了V₂O₅和TiO₂微量掺杂对P₂O₅-B₂O₃-BaO玻璃的结构与光学性能影响。

研究采用熔融淬冷法制备系列玻璃样品，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）分析网络单元变化，利用电子顺磁共振（EPR）解析VO²⁺和Ti³⁺的局域配位环境，并借助紫外-可见光谱和光致发光（PL）光谱评估光学性能。

结构表征
XRD显示所有样品均呈现典型非晶态特征。FTIR证实掺杂导致磷酸盐单元从Q²向Q¹/Q⁰转化，BO₃向BO₄转变，表明V/Ti离子引入显著增加非桥氧（NBOs）含量。密度测试显示0.75 mol% TiO₂样品密度最高（3.52 g/cm³），与网络致密化相关。

EPR分析
VO²⁺呈现典型超精细分裂谱线（g_∥=1.93，g_⊥=1.98），证实其以四角压缩八面体构型存在；Ti³⁺信号（g=1.94）表明还原环境下部分Ti⁴⁺转化。

光学性能
UV-Vis显示V³⁺/V⁴⁺/V⁵⁺和Ti³⁺/Ti⁴⁺多价态共存。0.75 mol% TiO₂样品表现出最强PL发射，归因于[VO₄]^3-基团与Ti³⁺的协同效应。0.75 mol% V₂O₅样品的CIE坐标（0.26,0.31）接近标准白光，色纯度达82%。

结论与意义
该研究首次系统比较了V/Ti掺杂对硼磷酸盐玻璃的差异化影响：V₂O₅主要通过VO₄/VO₅多面体引入发光中心，而TiO₂则通过Ti³⁺-氧空位缺陷增强发射强度。0.75 mol%双掺杂样品展现出白光发射特性，其可调制的光学带隙（2.78-3.15 eV）和优异的色坐标稳定性，为开发新型光学滤波器、LED转换材料提供了理论依据和材料基础。Rashmi I等通过多尺度表征手段，为过渡金属离子掺杂玻璃的构效关系研究建立了范式。