Sintering（烧结）对掺Sm3+的willemite（一种硅酸盐玻璃陶瓷）的影响：结构、力学和光学研究

《Optical Materials: X》：Sintering effects on Sm3+-doped willemite glass-ceramics: structural, mechanical, and optical studies

本研究采用熔融-快速淬火技术制备Sm3?掺杂willemite玻璃陶瓷，以SLS玻璃废料替代部分SiO?。通过XRD、EDX、硬度测试及光学分析发现，800°C烧结样品晶相发育良好，Sm3?主要赋存于玻璃相（4.65 wt%），光学吸收边红移至252 nm，带隙收窄至4.45 eV，荧光强度提升60.9%，色坐标(0.57,0.42)，色温1740-1810 K，表现出优异的可持续红色发光性能，适用于光电子器件。

　　

魏文昌|莫哈末哈菲兹·莫哈末扎伊德|卡米鲁尔·阿明·马托里|罗志伟|谭丽萍|王姣姣

马来西亚普特拉大学理学院物理系，43400，塞尔angor州Serdang

摘要

由于与稀土掺杂剂的兼容性和稳定性，Willemite玻璃陶瓷在光电应用中具有很大潜力。使用玻璃废料等可持续原材料进一步增强了其在绿色材料开发中的吸引力。在本研究中，通过熔融和快速淬火技术，使用锌硼硅酸盐玻璃合成了掺杂Sm³⁺的Willemite玻璃陶瓷，并进行了烧结，其中使用钠石灰硅玻璃废料作为SiO₂的替代原料。X射线衍射（XRD）分析显示，在800°C以上形成了α-Zn₂SiO₄晶体。能量色散X射线（EDX）分析表明，Sm主要富集在玻璃相中（4.65 wt%），在结晶区域中的掺杂量极低（约0.25 wt%）。当样品在800°C下烧结时，维氏硬度和断裂韧性分别达到最大值（5.61 ± 0.14）GPa和（2.91 ± 0.55）MPa?m^1/2。光学吸收边从241 nm移动到252 nm，直接带隙从（5.023 ± 0.003）eV缩小到（4.451 ± 0.003）eV。此外，与合成后的玻璃相比，800°C下烧结的样品光致发光强度增加了60.9%。CIE色度坐标约为（0.57, 0.42），CCT范围为1740–1810 K，表明其具有温暖的红橙色发射特性。这些结果突显了该材料作为光电应用中可持续红橙色荧光体的潜力。

引言

近年来，玻璃陶瓷因其优异的化学、热学和介电性能而受到全球研究人员的广泛关注[[1], [2], [3]]。玻璃陶瓷可以通过控制玻璃的热处理过程制备。在玻璃陶瓷材料中，Willemite（Zn₂SiO₄）玻璃陶瓷在湿度检测、X射线检测、气体传感、发光应用、有毒金属离子吸附催化和发光二极管等领域引起了显著关注[[4], [5], [6]]。此外，Willemite是一种理想的稀土（RE）离子掺杂宿主材料[[7], [8], [9]]，这归因于其良好的化学稳定性、宽带隙（5.50 eV–6.26 eV）以及在紫外-可见光谱中的高透明度[10]。稀土离子的发光来自于4f和5d–4f能级之间的跃迁，这些跃迁受到外层5s²5p⁶轨道的有效屏蔽，从而实现强烈的发光[11,12]。因此，探索在Willemite玻璃陶瓷中掺杂稀土离子仍然是提高其多功能性能的一个有吸引力的研究方向。

在稀土离子中，Sm³⁺离子因其在可见光谱中产生红橙色发光而闻名，主要是由于其在600 nm处强烈的⁴G_5/2 → ⁴H_9/2跃迁[13,14]。因此，掺杂Sm³⁺的材料被广泛用作高效的红橙色荧光体[15]。另一方面，钠石灰硅（SLS）玻璃废料的处理日益成为环境问题，因为它对垃圾填埋场负担很大，并带来长期的可持续性挑战[16]。商业钠石灰硅（SLS）玻璃通常含有高比例的SiO₂（58.0–74.1 wt%），以及大量的CaO（9.69–27.0 wt%）和Na₂O（12.0–12.9 wt%）作为其主要成分[17,18]。为了支持废料的间接回收，本研究利用SLS玻璃废料作为纯SiO₂的替代品来制备锌硼硅酸盐（ZBS）玻璃，然后将其烧结形成Willemite玻璃陶瓷。为了成功制备具有理想特性的Willemite玻璃陶瓷，确定最佳烧结温度至关重要。

本文报道了通过熔融和快速淬火技术制备掺杂Sm³⁺的Willemite玻璃陶瓷的过程，并系统研究了烧结温度对所得玻璃陶瓷的结构、机械和光学特性的影响。这项工作展示了掺杂Sm³⁺的Willemite玻璃陶瓷作为光电设备中红橙色荧光体宿主材料的潜力。

材料制备

材料制备

采用熔融和快速淬火技术制备了[Sm₂O₃]₃[((ZnO)₅₀(B₂O₃)₁₀(SLS)₄₀]₉₇玻璃和玻璃陶瓷（Sm-ZBS），随后进行烧结处理。起始材料包括高纯度氧化锌（99.9%，Sigma-Aldrich）、氧化硼（98%，Acros Organics）、氧化钐（III）（99.90%，Alfa Aesar）以及透明SLS玻璃废料（作为二氧化硅来源）。SLS玻璃经过清洗、破碎并通过筛分研磨成细粉（45 μm）。

物理性质分析

图1显示了在不同温度下烧结的Sm-ZBS样品的密度，数值列于表1中。样品的密度从室温（27°C）开始增加，然后在烧结温度达到1000°C时下降。这种行为可以归因于烧结过程中发生的多种化学变化，这些变化促进了结晶相的形成。在较低烧结温度下密度的初始增加可能是由于...

结论

通过熔融和快速淬火技术成功制备了掺杂Sm³⁺的ZBS玻璃和玻璃陶瓷，并分析了其物理、结构、机械和光学特性随烧结温度的变化。XRD、FTIR、SEM和EDX分析证实，在800°C及以上烧结时，Sm-ZBS玻璃基体中形成了Willemite晶体。随着温度的升高，结晶度增加，样品中出现了树枝状晶体形态。

CRediT作者贡献声明

魏文昌：撰写——原始草稿、可视化、软件应用、方法论设计、实验研究、数据分析。 莫哈末哈菲兹·莫哈末扎伊德：撰写——原始草稿、数据验证、项目监督、资金申请、数据管理、概念构思。 卡米鲁尔·阿明·马托里：撰写——审稿与编辑、数据验证、项目监督。 罗志伟：撰写——审稿与编辑、可视化、软件应用、数据分析。 谭丽萍：撰写——审稿与编辑、可视化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究部分得到了马来西亚普特拉大学通过Geran Putra Inisiatif（GPI/2023/9762700）的支持。