微波辅助合成用于闪烁应用的红色发光玻璃荧光粉

《Radiation Physics and Chemistry》：Microwave-Assisted Synthesis of Red-Emitting Phosphor-in-Glass for Scintillation Applications

　　

J. Kaewkhao|W. Wongwan|K. Reerong|K. Boonin|A. Angnanon|N. Intachai|T. Sareein|N. Triamnak|N. Discharoen|S. Xayheungsy|K. Mounphoumy|M. Tungjai|S. Kothan|D.A. Bradley|P. Yasaka

泰国那空巴通拉贾巴特大学玻璃技术与材料科学卓越中心（CEGM），那空巴通，73000

摘要

采用微波辅助熔化方法制备了Eu_0.6Gd_0.4BO₃荧光粉掺杂的玻璃复合材料，基质玻璃为35TeO₂:40ZnO:25B₂O₃。荧光粉的含量在0.00%到10.00%之间变化。XRD分析显示玻璃结构为非晶态，在20-40°范围内有宽吸收峰；而较高荧光粉含量时出现的弱衍射峰表明存在无杂质的结晶Eu_0.6Gd_0.4BO₃相。SEM分析证实荧光粉嵌入在玻璃基体中，并且随着荧光粉含量的增加其可见性增强。拉曼光谱在600-800 cm^-1范围内显示出Te-O振动的主峰，以及与BO₃和BO₄单元相关的935、1047和1346 cm^-1峰。400-2300 nm范围内的吸收光谱在394、463、531、2094和2207 nm处有Eu³⁺跃迁的吸收峰。在394 nm激发下的光致发光光谱显示579、592、614、653和701 nm的发射峰，其中614 nm处的发射强度最强，并且随荧光粉浓度增加而增强。10.00%样品的色度坐标为（0.65, 0.35），光致发光量子产率达到91.83%。随着荧光粉含量从1.00%增加到10.00%，衰减寿命从1.332 ms缩短至0.991 ms。在X射线激发下，发光强度随荧光粉含量增加而增强。10.00%样品的发光强度相当于BGO的13.01%，并且能够生成清晰的X射线图像。这些结果表明所制备的复合材料是闪烁应用的有希望的候选材料。

引言

闪烁体是一种能够将高能辐射（如X射线和γ射线）转换为可见光子的发光材料，用于医学成像、安全筛查、无损检测和高能物理等领域的辐射检测系统。传统的高性能闪烁体通常是单晶（例如BGO、LSO、NaI:Tl），这些单晶需要复杂的晶体生长工艺、较长的制造时间和高生产成本（Kaewnuam等人，2019；Peng等人，2017；Wongwan等人，2022）。这些限制促使人们开发更易于制造、机械性能更优异且适合大面积应用的替代闪烁介质。基于玻璃的闪烁体和玻璃-荧光粉复合材料因此成为有吸引力的候选材料，因为它们具有光学透明性、化学稳定性以及易于加工成各种形状和尺寸的优点。

一种有前景的策略是荧光粉掺杂玻璃（PIG）技术，即将结晶荧光粉颗粒分散在透明玻璃基体中（Bao等人，2022；Lin等人，2014；Xu等人，2019）。这种混合结构结合了稀土激活荧光粉的高发光效率和尖锐的发射线，以及玻璃基体的优异的可成型性和稳定性。与烧结陶瓷或单晶相比，PIG材料具有更低的加工温度、更好的抗热震性、均匀的光学质量以及适合大面积制造的优点（Zhong等人，2018）。在闪烁应用中，玻璃基体还有助于吸收辐射并将产生的激发能量传递给嵌入的荧光粉颗粒，从而增强整体的辐射发光性能。

在本研究中，选用的荧光粉是Eu_0.6Gd_0.4BO₃，这是一种镧系硼酸盐化合物，其强烈的红色发射源于Eu³⁺离子的⁵D₀→⁷F₂跃迁（Yasaka等人，2025b）。加入Gd³⁺可以提高激发概率，因为Gd³⁺在紫外区域具有强吸收带，能够有效地将能量传递给Eu³⁺，从而在光学和X射线激发下改善发光效果。先前的研究还表明Eu-Gd硼酸盐体系具有良好的结构稳定性、热稳定性和强的辐射发光性能，使其成为X射线探测和闪烁应用的理想材料（Angnanon等人，2022）。作为荧光粉的载体，使用了组成为35TeO₂:40ZnO:25B₂O₃的硼碲酸盐玻璃。氧化硼（B₂O₃）有助于提高玻璃的成型能力、降低熔点并增加结构灵活性，从而稳定地掺入稀土基荧光粉。同时，ZnO提高了机械强度、化学稳定性和热稳定性，同时也保持了光学透明性（Boonin等人，2020）。最近关于Eu³⁺掺杂碲酸盐玻璃的研究显示其具有红橙色发射和良好的稀土离子溶解性。基于TeO₂的玻璃还具有高折射率（>1.70）和低声子能量（700-800 cm^-1），使其成为光学和发光应用的理想基材（Boonin等人，2022；Yamsuk等人，2019；Yasaka等人，2022）。然而，基于碲酸盐的玻璃通常带有黄色调，透明度有限，这可能会影响其发光性能。在我们之前的工作中，使用了微波辅助处理来减少玻璃的黄色调（Wongwan等人，2024）。因此，在本研究中进一步应用了微波处理来制备荧光粉掺杂玻璃复合材料。

本研究报道了采用微波辅助方法合成的红色发射Eu_0.6Gd_0.4BO₃荧光粉掺杂玻璃复合材料。与传统的炉熔法相比，微波处理具有快速、体积加热、合成时间短和微观结构更均匀的优点（Khankrua等人，2024；Wongwan等人，2024）。通过多种表征技术系统研究了所制备的PIG系统的结构、光学和发光性能。使用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱进行结构分析，通过光学吸收测量获得吸收光谱，通过光致发光（PL）和光致发光量子产率（PLQY）来表征发光性能。此外，还研究了X射线诱导发光（XRL），以评估PIG样品的闪烁性能，旨在确定其作为闪烁材料的潜力。

章节摘录

实验

本研究的样品制备分为两个主要步骤。第一步是使用固态反应方法合成Eu_0.6Gd_0.4BO₃荧光粉。按照化学计量比称量原材料Eu₂O₃（REacton，99.99%）、Gd₂O₃（REacton，99.99%）和H₃BO₃（Analytical Reagent，99.8%），并在250 rpm下使用球磨机混合30分钟以确保均匀性。然后将混合物在空气中900 °C下烧结18小时。冷却后...

密度、摩尔体积和折射率

图3展示了Eu_0.6Gd_0.4BO₃荧光粉掺杂玻璃样品的密度、摩尔体积和折射率随荧光粉含量的变化情况。所有参数均显示出随荧光粉含量增加而增加的趋势。由于较高密度的荧光粉颗粒被掺入玻璃基体，制备的玻璃密度也随之增加。

结论

CRediT作者贡献声明

J. Kaewkhao：指导。 K. Mounphoumy：研究。 S. Xayheungsy：研究。 N. Triamnak：方法学研究。 N. Discharoen：方法学研究。 T. Sareein：研究。 N. Intachai：研究。 A. Angnanon：方法学研究。 Patarawagee Yasaka：撰写 – 审稿与编辑，指导。 K. Boonin：研究。 D. A. Bradley：研究。 K. Reerong：研究。 S. Kothan：研究。 W. Wongwan：撰写 – 初稿。 M. Tungjai：研究

Hirdesh, 2018; Kumar等人，2003。

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

P. Yasaka感谢那空巴通拉贾巴特大学和泰国科学研究与创新机构（TSRI）提供必要的设施和资源，使本研究能够顺利完成。该项目由泰国国家研究委员会（NRCT）（授权号N42A680125）资助。本研究还得到了清迈大学的部分支持，并获得了NSRF通过研究与创新加速机构的资金支持。