钆掺杂铝银硼磷酸盐玻璃体系的原子尺度周期性不饱和环境开发及其在光电器件中的应用

研究人员针对辐射屏蔽和光电应用需求，开发了Gd3+掺杂铝银硼磷酸盐玻璃体系(30B2O3+34P2O5+5AgO+10LiCO3+5SrO+5Al2O2-5ZnO+1Gd2O3)。通过熔融淬火法制备样品，采用XRD、FTIR、UV-Vis等技术表征，获得3.6eV光学带隙、1.25×10-4消光系数及4494K色温，证实该材料在光电器件和辐射防护领域具有应用潜力。

　　

在核能利用和光电技术快速发展的今天，如何开发兼具辐射防护和光电转换功能的先进材料成为关键科学问题。传统玻璃材料在辐射屏蔽效率、光学性能和环境稳定性等方面存在明显局限，特别是对于高放射性废物(HLW)的处理，需要材料同时具备优异的化学稳定性和辐射防护能力。另一方面，光电设备的小型化发展也亟需开发新型发光基质材料，要求材料具有可调的带隙结构、高发光效率和良好的加工性能。

Sacred Heart College的研究团队在《Inorganic Chemistry Communications》发表研究，创新性地将稀土元素钆(Gd³⁺)引入铝银硼磷酸盐玻璃体系，通过传统熔融淬火技术成功制备出具有特殊原子尺度周期性不饱和环境的新型功能材料。该研究综合运用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、紫外可见光谱(UV-Vis)等表征手段，系统研究了材料的微观结构、光学性能和辐射防护特性。

研究采用熔融淬火法制备玻璃样品，通过XRD确认非晶态结构，FTIR和拉曼光谱分析化学键振动模式，UV-Vis测定光学带隙和消光系数，并利用Phy-X程序计算辐射防护参数。光致发光光谱和色坐标分析评估了材料的发光性能。

【XRD分析】显示制备的玻璃呈现典型非晶态特征，无尖锐衍射峰，表明Gd³⁺成功融入玻璃网络而未引起结晶。这种无定形结构有利于形成均匀的原子尺度周期性不饱和环境，为光学性能调控创造了条件。

【光学性能】研究表明，材料表现出3.6eV的宽光学带隙和1.25×10^-4的低消光系数，CIE色坐标为(0.5054,0.3263)，对应4494K的相关色温。这些特性源于硼磷酸盐网络中BO₃、BO₄和PO₄结构单元的协同作用，以及Gd³⁺离子的f-f电子跃迁贡献。

【辐射防护性能】通过Phy-X程序计算的关键参数显示，该玻璃具有优异的辐射屏蔽能力，包括较高的有效原子数(Z_eff)和优化的质量衰减系数(MAC)。这主要归因于Gd元素的高原子序数和硼组分的中子吸收特性，使材料同时具备防护γ射线和中子的双重功能。

研究结论表明，Gd³⁺掺杂铝银硼磷酸盐玻璃通过构建特殊的原子尺度周期性不饱和环境，成功实现了光电性能与辐射防护性能的协同优化。材料的非晶态结构避免了相位匹配问题，增强了光学吸收和二次谐波产生(SHG)效率。该工作不仅为高放射性废物的安全处理提供了新型基质材料，也为开发多功能集成光电设备开辟了新途径，在固态激光器、辐射探测器和光学存储器等领域具有重要应用前景。