Tb3+/Sm3+共掺杂硅硼碲酸盐闪烁玻璃的能量传递优化及其在X射线成像中的应用研究

本研究针对X射线成像中高效闪烁材料的开发需求，通过设计30TeO2-20B2O3-(20-x)SiO2体系玻璃，系统研究了Tb3+→Sm3+能量传递机制。结果表明0.5 mol% Sm2O3掺杂时获得最佳发光性能，FTIR证实网络结构增强，X射线激发下可见光发射证实其成像应用潜力，为新型闪烁材料开发提供重要参考。

　　

在医学诊断和工业检测领域，X射线成像技术的核心瓶颈在于高性能闪烁材料的开发。传统闪烁晶体存在成本高、成型困难等缺陷，而稀土掺杂玻璃因其可调谐发光、易加工等优势成为研究热点。碲酸盐玻璃凭借低声子能量（～780 cm^-1）和高稀土溶解度被视为理想基质，但如何通过离子间能量传递提升发光效率仍是关键科学问题。

针对这一挑战，来自那空拍侬皇家大学的研究团队在《Radiation Physics and Chemistry》发表创新成果，通过熔融淬冷法制备Tb³⁺/Sm³⁺共掺杂硅硼碲酸盐玻璃（30TeO₂:20B₂O₃:(20-x)SiO₂:10Na₂O:15BaO:5Tb₂O₃:xSm₂O₃），系统研究Sm³⁺浓度（0-2.0 mol%）对材料性能的影响。研究采用XRD确认非晶态结构，通过FTIR和Raman分析网络结构演变，UV-Vis-NIR测定光学带隙（2.961-3.132 eV），结合稳态/瞬态荧光光谱量化能量转移效率。

玻璃制备与结构表征
XRD衍射馒头峰证实所有样品均为非晶态。FTIR显示随着Sm₂O₃增加，1045 cm^-1处[BO₄]振动增强，表明网络连接度提升。Raman光谱中770 cm^-1处Te-O-Te振动峰蓝移，证实非桥氧（NBOs）减少，这与密度从4.028 g/cm³（TeBTbSm₀）增至4.266 g/cm³（TeBTbSm₂）的结果相印证。

光学性能研究
吸收光谱在400-2500 nm区间检测到Sm³⁺的11个特征峰，包括1543 nm处⁶H_5/2→⁶F_1/2跃迁；Tb³⁺在484 nm（⁷F₆→⁵D₄）和2200 nm处有显著吸收。Urbach能量（0.233-0.303 eV）波动较小，说明结构无序度变化有限。

能量传递机制
光致发光谱显示Tb³⁺在543 nm（⁵D₄→⁷F₅）和Sm³⁺在600 nm（⁴G_5/2→⁶H_7/2）的发射强度在0.5 mol% Sm₂O₃时达到峰值，量子效率提升27%。衰减曲线分析证实存在偶极-偶极相互作用，能量转移效率达68%。

X射线响应特性
在X射线激发下，样品产生肉眼可见的绿色（Tb³⁺）和橙红色（Sm³⁺）混合发光，光产额与商用Bi₄Ge₃O₁₂（BGO）晶体相当，证实其成像应用可行性。

该研究通过精准调控Sm³⁺掺杂浓度，首次在硅硼碲酸盐体系中实现Tb³⁺→Sm³⁺高效能量传递（>60%），所开发材料兼具高密度（>4.2 g/cm³）和可调谐发光特性。相比传统晶体闪烁体，这种玻璃材料可通过组分设计优化发光颜色，且制备温度低于1100°C，具有显著的成本优势。研究成果不仅为X射线成像设备提供了新型闪烁材料解决方案，其揭示的离子间能量传递规律对开发白光LED、光纤放大器等光电器件也具有重要指导价值。