Eu2O3改性的镁硼碲玻璃：结构、光学性能及辐射屏蔽性能

《Radiation Physics and Chemistry》：Eu 2O 3-modified magnesium borotellurite glass: Structural, optical and radiation shielding performance

　　摘要：本研究旨在优化一种新配方——Eu2O3掺杂的镁硼碲酸盐玻璃体系的光学与辐射屏蔽性能。通过熔融淬火法制备了10MgO–30B2O3–(60-x)TeO2–xEu2O3系列玻璃，其中x的取值为0.5至2.5摩尔%。实验结果表明，随着Eu2O3浓度的增加，玻璃的密度从2.960 g·cm-3上升至3.192 g·cm-3。总体而言，由于较高的Eu3+浓度使得玻璃结构更加紧密，其摩尔体积从41.094 cm3·mol-1下降至39.312 cm3·mol-1。XRD图谱中出现的宽泛漫反射峰证实了所有玻璃样品均为非晶结构。FTIR光谱显示玻璃基质中含有TeO4、TeO3、BO4和BO3等结构单元。紫外-可见光谱分析表明，玻璃的直接跃迁能量从4.124 eV升高至4.196 eV，间接跃迁能量则从3.661 eV上升至3.699 eV。与此同时，玻璃的折射率从2.239下降至2.231，这反映出局部态的数量减少。乌尔巴赫能量也从1.004 eV降至0.961 eV，说明玻璃的结构无序度降低，光学稳定性提高。利用Phy-X软件对玻璃的辐射衰减性能进行评估后发现，将Eu2O3浓度提升至2.5摩尔%时，其整体辐射屏蔽效果得到显著改善。

引言：玻璃是一种独特的人造材料，在固化过程中不会形成长程晶体结构。由于其高介电常数、出色的机械强度以及良好的热稳定性，人们对其物理性质进行了大量研究（Wondraczek等人，2022年；Darwish等人，2026年）。在玻璃制造过程中，氧化镁起到稳定剂的作用，有助于抑制结晶并提升结构稳定性（Abuallan等人，2023年；Rasdi等人，2025年）。氧化硼具有多种优点：较低的熔点便于加工，较高的光学透明度有助于光线传输，而且稀土离子在其中的良好溶解性使其适用于各种光学应用，并具备优异的化学稳定性（Fong等人，2021年；Al-Buriahi，2023年；Bendary等人，2024年；Abouhaswa等人，2026年）。在各类成玻璃氧化物中，氧化硼因其能够形成具有强共价键的透明玻璃、较低的熔融热、出色的热稳定性，以及稀土离子和其他改性氧化物的溶解性而尤为突出。硼酸盐玻璃因在光学和辐射材料领域的广泛应用而备受关注（Abouhaswa等人，2021年；Abouhaswa等人，2025年；Peri?ano?lu等人，2026年）。与硅酸盐和磷酸盐玻璃相比，碲酸盐玻璃在光学应用方面表现更佳，因为它们具有更高的折射率、更低的声子能量、更宽的放大带宽、优异的红外透过率，以及出色的热稳定性和机械强度（Bassam等人，2024年；Shah等人，2024年；Ho?g?r和Tabar，2025年）。由于独特的结构、光学和物理特性，碲酸盐玻璃在基础研究和技术应用领域都受到了广泛关注。从光学角度看，这类玻璃在可见光和红外光波段都具有极高的透明度，同时具有较高的线性和非线性折射率，与其他传统氧化物玻璃网络如硅酸盐和磷酸盐体系相比，其最大声子能量也相对较低（Boudchicha等人，2023年）。这些优良特性降低了非辐射松弛损耗，使得这类玻璃能够容纳较高浓度的稀土离子，从而用于开发各种先进的光子器件，包括光纤、平面宽带放大器以及固态激光系统。此外，从物理和热力学角度来看，碲酸盐玻璃基质还具备良好的化学稳定性、相对较低的熔点以及高度可调控的弹性性能（Hamza等人，2022年；Rasdi等人，2023年）。尤为重要的是，由于碲的原子质量较大，碲酸盐玻璃本身具有较高的整体密度和有效原子序数。这使得碲酸盐网络在吸收和衰减高能光子方面表现出极强的能力，因此碲酸盐玻璃及硼碲酸盐玻璃体系被视为用于高级辐射屏蔽应用的极具前景的透明材料（Shah等人，2024a年；Khallouqi等人，2025年）。镁硼碲酸盐玻璃因其多功能性而备受重视，可用作饱和吸收体、光纤材料以及放大器，非常适合用于光子学和光电技术领域。它还被广泛应用于激光系统、传感装置、电信以及显示技术中（Adeleye等人，2024年）。

在过去几十年里，掺杂稀土元素的玻璃因其卓越的光谱特性以及在光学技术领域的广泛应用而受到广泛关注，这些应用包括平面波导、固态激光器、光学放大器、存储器、光电器件以及磁光器件（Pisarski，2022年）。玻璃中稀土离子的光学行为在很大程度上取决于宿主基质，通过合理选择网络构成元素和改性剂，可以调控其光学行为。通过调整化学成分和熔炼条件，可以制备出各种类型的玻璃体系，如硼酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃以及碲酸盐玻璃（Devaraja和Deka，2025年；Zagrai等人，2025年）。掺杂稀土元素的镁硼碲酸盐玻璃因其在不同尺度上呈现复杂的结构特征而备受关注。这些结构特征对成分、温度和压力的变化极为敏感，因此其在众多新兴技术应用领域具有巨大潜力。有研究者指出，将氧化镝掺入钠镁硼碲酸盐玻璃中会显著影响其光学行为。当在386纳米波长处激发时，这类玻璃展现出较强的黄色激光发射潜力，其黄色跃迁的受激发射截面在所有研究过的组分中是最高的。此外，随着氧化镝浓度的增加，572纳米处的黄色发光寿命从0.639毫秒缩短至0.429毫秒（González-Suárez等人，2022年）。这种寿命缩短是由于在高掺杂水平下，Dy3+离子之间的能量传递通过交叉弛豫机制变得更加显著所致。Zalamin等人研究了向镁硼碲酸盐玻璃中添加氧化钐后的光学和发光特性。XRD分析表明所制备的样品为非晶结构。随着氧化钐含量的增加，玻璃的体积密度从4.105 g/cm3上升至4.403 g/cm3，而摩尔体积则呈现相反的变化趋势，范围在28.69至29.39 cm3/mol之间。玻璃的折射率在2.481至2.575之间波动，乌尔巴赫能量则在0.238至0.319 eV之间变化。光致发光测试结果显示出四条明显的发光带，其中最强烈的红色发光带中心波长为600纳米（Zalamin等人，2023年）。还有研究探讨了向镁硼碲酸盐玻璃中添加钕元素的情况。随着Nd2O3含量的增加，玻璃的密度从3.97 g/cm3上升至4.10 g/cm3，而摩尔体积则最初从30.42 cm3/mol下降至29.50 cm3/mol。随着Nd2O3浓度的增加，玻璃的光学带隙和乌尔巴赫能量也都随之增大。在400纳米波长激发下的光致发光测试显示出四条不同的发光带，波长分别位于444纳米、488纳米、545纳米和614纳米（Abuallan等人，2025年）。

Eu2O3是一种极为优良的掺杂剂，因为它能显著影响玻璃材料的光学特性。当Eu3+离子被引入碲酸盐玻璃体系中时，会改变玻璃的带隙，而带隙是决定光学透明度和电子跃迁的关键因素（Alrowaili等人，2023年；Wang等人，2025年）。根据掺杂剂的浓度及其与玻璃网络的相互作用，Eu2O3的加入可以通过改变材料的电子结构来增大或减小带隙。此外，Eu3+离子的掺入还会改变玻璃的折射率。由于Eu3+离子的质量相对较大，其掺入通常会导致玻璃密度上升。Eu3+离子可以通过替代镁离子等修饰阳离子，或者占据非晶结构中的间隙位置或修饰位点，从而融入镁硼碲酸盐玻璃网络中（Aleksandrov等人，2024年；Alharshan等人，2024年；Yordanova等人，2026年）。由于Eu3+离子的电荷更高、离子半径更大，它们会影响玻璃网络的局部结构排列。根据其浓度不同，它们可能会促进BO3/BO4和TeO3/TeO4等结构单元之间的交联，进而改变整个网络的结构连接性（Hathot和Aboud，2024年）。这些结构变化会导致玻璃的物理性质发生明显改变，比如密度上升，以及由于结构重排和堆积效率变化而导致的摩尔体积变化。

综上所述，目前尚未有研究专门探讨Eu2O3掺杂与镁硼碲酸盐玻璃体系的结构、光学及辐射屏蔽性能之间的关系。本研究正是针对这一空白，制备了一系列Eu2O3掺杂的玻璃样品。选择Eu2O3作为掺杂剂，是因为它作为一种红色发光磷光体具有优异的性能，同时在光子学、光电学以及辐射屏蔽技术领域也具有巨大应用潜力。

玻璃样品的制备：本研究共制备了多组玻璃样品，其化学成分分别为10MgO–30B2O3–(60-x)TeO2–xEu2O3（其中x的取值为0.5、1.0、1.5、2.0和2.5摩尔%），这些样品分别被命名为0.5EuMBT、1EuMBT、1.5EuMBT、2EuMBT和2.5EuMBT。这些样品都是通过熔融淬火法制备的，具体方法如表1所示。研究中使用的玻璃原料为分析级TeO2粉末（Aldrich Chemistry公司，纯度为99.99%）、B2O3粉末（Acros Organics公司，纯度为98.00%）、MgO粉末（HmbG Chemicals公司，纯度为90.00%）以及Eu2O3粉末（Acros Organics公司，纯度为99.90%）。

结果与讨论：图2展示了Eu2O3掺杂的MgO–B2O3–TeO2玻璃在0.5 ≤ x < 2.5摩尔%的成分范围内的密度和摩尔体积变化情况。实验结果表明，熔融淬火法制备的玻璃在固化过程中形成了结构紧密、原子排列整齐的形态。从图表趋势可以看出，随着Eu2O3含量的增加，玻璃的密度也逐渐上升。这种密度增大的现象可以通过TeO2（分子量为159.6 g/mol）被更重的Eu2O3（分子量为351.92 g/mol）所替代来解释。

结论：本研究成功采用了传统的熔融淬火法制备出了掺杂Eu2O3的MgO–B2O3–TeO2玻璃体系。XRD分析证实所有制备的玻璃均为非晶结构，而FTIR分析则显示玻璃基质中同时存在TeO4、TeO3、BO4和BO3等结构单元，这证明了复杂的硼碲酸盐网络已经形成。随着Eu2O3含量从0.5摩尔%增加到2.5摩尔%，玻璃的密度从2.960 g/cm3上升至3.192 g/cm3，而摩尔体积则相应减小。

作者贡献说明：S.T. Tan负责数据验证工作；Z.W. Loh负责文章的撰写、审阅与编辑；K.A. Matori负责研究构思；M.M.A. Kechik负责形式分析；D. Said负责可视化处理；T.K. Ban负责软件相关工作；R. Hisam负责数据整理；N.F.Z. Fazli负责初始稿件的撰写；M.H.M. Zaid负责资金筹措工作。

未引用参考文献：Alharshan等人，2024年；Devaraja等人，2022年；Shah等人，2024b年；Sharvani等人，2022年。

利益冲突声明：作者们确认不存在任何可能影响本研究结果的财务或个人利益冲突。

数据可用性说明：数据可应要求提供。

利益冲突声明：? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢：本研究得到了马来西亚博特拉大学在“Geran Putra Berimpak”项目（编号GPB/2025/9831900）下的资助。作者还要衷心感谢该校在研究期间为笔者提供的各种研究设施、资源以及技术支持。

N.F.Z. Fazli | M.H.M. Zaid | K.A. Matori | M.M.A. Kechik | S.T. Tan | Z.W. Loh | D. Said | T.K. Ban | R. Hisam
马来西亚雪兰莪州斯尔当市43400，马来西亚博特拉大学科学学院物理系