Dy3+掺杂锂钙铝硼酸盐玻璃的物理-光学特性调控及其光子器件应用研究

研究人员针对稀土掺杂玻璃在光电器件中的应用瓶颈，通过熔融淬火法制备Dy3+掺杂的65B2O3-15CaO-(10-x)Al2O3-10Li2O-xDy2O3（LCAB）玻璃体系，系统研究了其物理、热学、结构及光学特性。发现LCAB 02样品在349 nm激发下呈现最强蓝-黄光发射（574 nm），光学带隙3.3-3.5 eV，CIE坐标位于冷黄白光区，为无荧光粉白光LED等光子器件提供了新材料。

　　

在光电材料领域，稀土掺杂玻璃因其独特的4f电子跃迁特性成为研究热点。其中，Dy³⁺离子因其⁶H_15/2→⁶P_7/2跃迁产生的蓝（482 nm）黄（574 nm）双波段发射，可组合实现白光输出，被视为固态照明器件的理想候选。然而，传统硼酸盐玻璃存在化学稳定性差、声子能量高（~1400 cm^-1）等问题，制约其实际应用。为此，印度UGC和DST资助的研究团队创新性地开发了Li₂O-CaO-Al₂O₃协同修饰的硼酸盐玻璃体系，通过调控Dy³⁺掺杂浓度，系统探索了材料的结构-性能关系。

研究采用熔融淬火法制备了Dy^{3+掺杂浓度0-2.5 mol%的LCAB玻璃系列，结合密度测试、差示扫描量热法（DSC）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱及紫外-可见吸收光谱等多维度表征技术。}

物理特性
玻璃密度随Dy^{3+浓度增加从2.45 g/cm3（LCAB 00）线性增至2.72 g/cm3（LCAB 05），摩尔体积相应减小，证实Dy3+成功进入网络间隙位。DSC显示玻璃转变温度（T_g）在450-470°C区间波动，最高掺杂样品LCAB 05出现明显结晶峰，表明过量掺杂会破坏玻璃态稳定性。}

结构分析
FTIR谱在1200-1600 cm^-1区间发现BO₃三角单元和BO₄四面体的特征振动峰，证实Al³⁺通过形成[AlO₄]三簇结构增强网络稳定性。拉曼光谱在700 cm^-1处的峰归属为Al-O-B键振动，揭示Al₂O₃的桥梁作用。

光学性能
光学带隙（E_g）介于3.3-3.5 eV，符合典型半导体材料特征。在349 nm激发下，所有样品均显示482 nm（⁴F_9/2→⁶H_15/2）和574 nm（⁴F_9/2→⁶H_13/2）的特征发射，其中LCAB 02（2 mol%）强度最大。浓度超过2 mol%时，由于Dy³⁺-Dy³⁺间偶极-偶极相互作用（Dexter理论验证），发生浓度猝灭效应。

应用价值
CIE色坐标计算显示，该系列玻璃发射光位于冷黄白光区（色温4500-5500 K），Y/B（黄/蓝）强度比达1.8-2.2，特别适合作为无荧光粉白光LED的转换材料。研究发表于《Journal of Molecular Structure》，为光子器件设计提供了兼具高透明度（>80%）、低声子能量（<1400 cm^-1）和可调发光特性的新型玻璃体系。

该工作的创新性在于首次将Li₂O-CaO-Al₂O₃三元修饰体系引入硼酸盐玻璃，通过精确控制Dy³⁺掺杂浓度，实现了发光强度与材料稳定性的最佳平衡。未来可通过共掺杂Eu³⁺/Tb³⁺进一步优化白光发射性能，推动其在微激光器、光学温度传感器等领域的应用。