《Optical Fiber Technology》：Structure–Optical–Nonlinear Correlation and Gamma–Ray Attenuation Performance of PVA/Bi2O2Se Nanocomposite Films
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摘要：在本研究中，我们制备了不同Bi2O2Se含量（0、1、2和3重量百分比）的PVA/Bi2O2Se纳米复合薄膜，并对其进行了系统研究，以阐明结构变化、光学功能与伽马射线屏蔽性能之间的相互作用。通过X射线衍射分析发现，Bi2O2Se的引入使得半结晶态PVA网络出现显著的重排现象
摘要：
在本研究中，我们制备了不同Bi2O2Se含量（0、1、2和3重量百分比）的PVA/Bi2O2Se纳米复合薄膜，并对其进行了系统研究，以阐明结构变化、光学功能与伽马射线屏蔽性能之间的相互作用。通过X射线衍射分析发现，Bi2O2Se的引入使得半结晶态PVA网络出现显著的重排现象。此外，Bi2O2Se粉末的晶粒尺寸相对较大，为27.00纳米。当Bi2O2Se含量为1重量百分比时，PVA/1wt.% Bi2O2Se薄膜的晶粒尺寸为25.64纳米，而当Bi2O2Se含量增加到3重量百分比时，这一数值降至17.87纳米。傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜进一步证实了聚合物与填料之间强烈的相互作用以及随填料含量变化的形态变化。紫外-可见光谱显示，该材料具有双光活性，其线性和非线性行为均可调节，当Bi2O2Se含量为1重量百分比时，由于聚合物与填料界面处的电子耦合和局部极化能力得到提升，该材料的光学性能达到最佳状态。通过线性衰减系数、质量衰减系数、半值层、十值层、平均自由程以及有效原子数等参数，从理论上评估了该材料的伽马射线屏蔽性能。结果表明，Bi2O2Se的引入显著提升了辐射衰减效率。其中，PVA/3 wt% Bi2O2Se样品的屏蔽效率最高，且所需屏蔽厚度最低。值得注意的是，随着Bi2O2Se含量的增加，有效原子数从0.02 MeV时的5.20上升至20.50，这进一步证明了Bi2O2Se纳米填料在光子衰减过程中的重要作用。总体而言，这些研究结果表明，PVA/Bi2O2Se纳米复合材料兼具可调的光电性能和良好的伽马射线屏蔽效果，因此有望成为适用于先进光电器件及辐射防护领域的轻质、柔性的多功能材料。
引言
基于陶瓷金属氧化物的聚合物纳米复合材料因其可通过可控方式引入填料来调整其性能，而成为多功能应用领域的热门材料[1]、[2]、[3]、[4]。聚合物及其复合材料具有重量轻、耐用性强且柔韧性好等优点，因此非常适合用作制造轻质柔性材料的基体[5]、[6]。与传统陶瓷材料相比，聚乙烯醇这类聚合物基体具有更高的柔韧性、更易于加工、较好的介电击穿强度，同时还能够与多种功能性添加剂相容。正是由于这些优势，人们致力于将基于PVA的纳米复合材料应用于光电及辐射相关领域，因为在这些应用中需要兼顾加工性、性能以及机械强度[7]、[8]。将陶瓷纳米填料引入聚合物基体中，可显著改善材料的电学性能，包括导电性和介电行为。由于PVA中含有羟基，这类基团有助于形成氢键，从而增强其与纳米材料的相互作用，因此PVA特别适合用于制备纳米复合材料[9]、[10]。此外，PVA还具备出色的电荷存储能力，同时具有良好的化学稳定性、热稳定性和机械稳定性，以及较高的介电强度[11]。正因为具有这些优异性质，PVA被广泛应用于电子器件、生物医学材料、电致变色系统、膜材料、纸张涂层、纺织品以及包装等领域[12]。另外，PVA是一种水溶性聚合物，它具有出色的成膜能力、良好的机械强度、柔韧性以及化学稳定性[13]、[14]。它还能与多种填料良好相容，从而使重金属添加剂在聚合物基体中均匀分散，这对于确保稳定的屏蔽性能至关重要。此外，PVA无毒且易于加工，因此也非常适合作为开发辐射防护用复合材料的候选材料。如果再加入铅、Bi2O3、WO3或锡等高原子序数填料，基于PVA的复合材料就能展现出更强的辐射衰减性能。在这些材料中，高原子序数元素的存在会增加光子与材料的相互作用概率，进而提升伽马射线的吸收能力以及整体的屏蔽效率[13]、[15]。Alrowaili等人[16]曾报道过PVA/Bi2O3/Y2O3复合材料，认为它们是具有轻质且柔韧特性的辐射屏蔽材料。Alziyadi等人[17]则研究了PVA/PbI2纳米复合材料的辐射屏蔽性能。近年来，铋氧硒化物（Bi2O2Se）由于其出色的物理化学性质以及潜在的应用前景而受到了广泛关注。这种材料具有可调控的带隙、较低的有效电子质量以及较高的载流子迁移率，因此非常适于用于先进的电子和光电器件中[18]。它还具有良好的环境稳定性，这进一步提升了其在实际应用中的适用性，比如红外光探测器、集成光电系统以及场效应晶体管等方面[19]、[20]。此外，Bi2O2Se的晶格热导率较低，塞贝克系数相对较高，这说明它具有与传统的Bi2Te3等材料相当的热电性能[21]、[22]。相比Bi2O3和WO3等填料，Bi2O2Se还具备更好的机械性能，因此可以用于制造柔性及可拉伸的电子器件[23]。正因如此，Bi2O2Se已成为凝聚态物理和材料科学领域中备受关注的一种新兴材料[24]。
在本研究中，我们探讨了在不同重量百分比（0–3重量百分比）下将Bi2O2Se纳米填料引入PVA基体中，对基于PVA的复合薄膜的结构、光学性能以及辐射屏蔽性能所产生的影响。我们特别关注那些与成分相关的光学特性变化，并试图将这些变化与微观结构演变以及界面相互作用联系起来。除了光电功能之外，本研究还对伽马射线的衰减特性进行了系统评估。我们通过对线性衰减系数、质量衰减系数、半值层、十值层、平均自由程以及有效原子数等关键屏蔽参数进行分析，旨在判断这类轻质复合材料是否具备作为多功能屏蔽材料的潜力。
章节节选
PVA/Bi2O2Se纳米复合薄膜的制备
Bi2O2Se纳米颗粒是通过一种简单的水热合成方法制备的，这种方法在大规模生产中具有诸多优势。首先，在烧杯中将420毫克的氢氧化钾（KOH，由Aladdin Holdings Group Co., Ltd.生产）溶解在10毫升的蒸馏水中，然后在室温下轻轻搅拌10分钟，以确保氢氧化钾完全溶解。之后，再加入173毫克的亚硒酸钠（Na2SeO3，由Alfa Aesar Reagent Co., Ltd.生产）以及904毫克的
结构特性
图1展示了Bi2O2Se纳米颗粒以及Bi2O2Se纳米填料含量分别为0、1、2和3重量百分比的PVA/Bi2O2Se纳米复合薄膜的XRD衍射图谱。从这些衍射图谱中可以看出，存在Bi2O2Se四方相，而且其衍射峰的形状与JCPDS卡片编号为25-1463的标准图案一致[30]、[31]。
此外，图1还展示了之前已经得到的PVA的标准XRD谱图，其在19.8°处有一个较宽的峰[17]、[25]、[32]，而从复合样品的谱图中可以看出，随着Bi2O2Se含量的增加，
结论
本研究表明，将Bi2O2Se纳米填料引入PVA基体中，会带来显著的结构和光电性能变化，从而形成一种具有高度可调性的混合材料，且这种材料还具备双光活性。XRD分析结果显示，该材料的晶粒尺寸并非呈单调变化趋势：在Bi2O2Se含量为1重量百分比时，晶粒尺寸为25.64纳米；当含量增加到2重量百分比时，晶粒尺寸降至11.97纳米；而当含量为3重量百分比时，晶粒尺寸又略有上升，变为17.87纳米。这一变化反映了界面相互作用、微应变以及结构因素之间的复杂竞争关系。
作者贡献说明
A. M. A. Shamekh：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿撰写、实验研究、正式分析。 Amani Alruwaili：论文撰写——审阅与编辑、结果验证、软件使用、资源协调。 Mohammed O. Alziyadi：软件使用、资源协调、资金筹集工作。 B. Alayed：论文撰写——审阅与编辑、资源协调、资金筹集工作。 A. Z. Mahmoud：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿撰写、实验研究、正式分析
数据可用性声明
本研究过程中生成或分析的所有数据均已包含在本文中。
利益冲突声明
? 所有作者均声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
作者们特此感谢沙特阿拉伯阿拉尔市北部边境大学的科学研究处，该机构通过项目编号NBU-FFR-2026-885-07为这项研究提供了资金支持。
A.M.A. Shamekh|Amani Alruwaili|Mohammed O. Alziyadi|B. Alayed|A.Z. Mahmoud
沙特阿拉伯布赖达，卡西姆大学科学学院物理系，邮编51452
