X射线与热处理调控BaAlBO3F2中Cu离子氧化态及其在辐射传感与光存储中的应用机制研究

本文系统研究了X射线辐照与热处理对BaAlBO3F2（BABF）晶体中Cu离子氧化态的调控作用，揭示了其通过电子捕获与转移实现Cu+/Cu2+（或Cu3+）价态转换的机制，并观察到伴随的520 nm与580 nm光致发光（PL）波段变化。该现象被定义为辐射光致发光（RPL），其强度与辐射剂量呈正相关且可通过热处理可逆重置，为辐射剂量监测（如辐射传感）和光学存储技术提供了新材料设计思路与应用潜力。

　　

Highlight

通过电离辐射调控金属氧化态的策略在功能材料领域具有广泛应用前景，尤其在辐射传感与光学存储方向。本研究聚焦铜掺杂BaAlBO₃F₂（BABF）晶体中电离辐射诱导的价态变化与发光行为。

Experimental

采用固相反应法合成一系列不同Cu掺杂浓度的BABF晶体。原料包括BaF₂（99%）、Al₂O₃（99.99%）、B₂O₃（99.995%）及CuO（99.9%），按化学计量比100:118:124:x（x=0.002–0.2）称量后研磨混合。

Results

X射线衍射（XRD）图谱显示合成样品与BABF标准卡片（COD 00-152-6214）高度吻合，证实获得纯相晶体。结构分析表明Cu可能占据两种晶格位点：五配位Al³⁺位点（A位）与十二配位Ba²⁺位点（B位）。X射线辐照后，B位Cu捕获电子被还原为Cu⁺，产生520 nm发光峰（对应3d⁹4s¹→3d¹⁰跃迁）。此辐射光致发光（RPL）强度与辐射剂量成正比。热处理（100–200°C）可触发电子从B位Cu⁺向A位高价Cu转移，导致520 nm峰减弱并出现580 nm新发射峰；温度升至350°C以上可逆转该过程。上述价态转换可多次重复。

Discussion

结合能带图与变温光谱实验（图7–8），提出电子捕获与热致转移的动态机制：辐照后自由电子被Cu陷阱捕获形成发光中心；热处理提供能量促使电子重新分布，改变Cu位点价态与发光特性。该过程与晶体缺陷结构、局域配位环境及温度密切相关。

Conclusions

成功合成Cu掺杂BABF多晶材料，证实X射线可还原高价Cu为Cu⁺并引发特征RPL发射。室温下以B位Cu⁺的520 nm发射为主，高温（如225°C）则激活A位Cu⁺的580 nm发射。该材料具备辐射剂量响应性与热重置能力，在辐射探测与光学信息存储领域具应用价值。