ZrO2-Eu2O3四方固溶体中单斜相夹杂的光谱学特性及其快速检测方法研究

研究人员针对ZrO2-Eu2O3四方固溶体在机械应力下易因单斜相夹杂导致失效的问题，通过X射线衍射和发光光谱分析，发现单斜相夹杂导致O2-→Eu3+电荷转移带红移，并证实Eu2+优先占据单斜相晶格位点，为快速检测ZrO2-R2O3（R=稀土金属）固溶体相变提供新方法。

　　

在高温材料和生物医学领域，氧化锆（ZrO₂）基固溶体因其卓越的机械强度、耐腐蚀性和生物相容性被誉为"陶瓷钢"。然而，这类材料在实际应用中面临一个致命弱点——当四方相（t-ZrO₂）中混杂单斜相（m-ZrO₂）时，会在热循环或机械应力下引发连锁相变，最终导致材料崩解。更棘手的是，传统X射线衍射和拉曼光谱难以实现单斜相夹杂的快速原位检测。

针对这一难题，来自俄罗斯科学院的研究团队选择4mol.%Eu₂O₃掺杂的ZrO₂（4EuSZ）作为研究对象，其成分恰好位于四方相与单斜相的相界附近。通过冷坩埚定向结晶技术制备晶体后，研究人员创新性地结合发光光谱与微分干涉相差显微技术，首次捕捉到单斜相夹杂导致的光谱指纹特征。

关键技术包括：1）冷坩埚定向结晶法制备4EuSZ晶体；2）X射线衍射分析晶体相组成；3）通过Eu³⁺的⁵D₀→⁷F₂跃迁发光光谱表征局部结构；4）微分干涉相差显微镜观察相分布。

【实验结果】

1. X射线衍射证据：晶体底部区域出现单斜相特征峰，顶部则显示两种四方相（t/t'）共存，证实生长过程中发生相分离。
2. 光谱位移特征：单斜相夹杂使O^2-→Eu³⁺电荷转移带最大吸收波长红移约15nm，该现象源于单斜相中Eu-O键长变化。
3. Eu离子占位偏好：通过⁵D₀→⁷F₀跃迁峰分裂证实，Eu²⁺优先占据单斜相晶格位点，其4f⁶5d¹→⁸S_7/2跃迁产生的蓝光可作为相变标记。

这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究不仅揭示了稀土掺杂氧化锆的相变机制，更建立了基于光学光谱的快速相变检测方法。其意义在于：①为热障涂层失效预警提供新思路；②推动高可靠性生物陶瓷的研发；③开发的Eu³⁺探针技术可拓展至其他稀土氧化物体系。研究团队特别指出，该方法对含0.1-27mol.%Eu₂O₃的ZrO₂-R₂O₃（R=稀土金属）固溶体具有普适性，检测灵敏度显著优于传统手段。