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新型富硼酸硼硅酸鹽玻璃發光性能突破：Ce3?發光機制與Lexsyg儀器的關鍵作用

文章來源：https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2017.06.022

在核輻射探測領域，高性能閃爍體材料的需求日益增長。近期，Clemson大學材料科學與工程團隊在《Journal of Non-Crystalline Solids》發表了一項重要研究，系統的探索了高硼含量（B?O?:SiO?=4.83:1至8.75:1）的硼硅酸鹽玻璃中Ce3?的發光特性，為低成本、高效玻璃閃爍體的開發提供了新方向。

研究亮點與實驗設計

一、材料創新：
團隊通過熔融淬火法成功制備了含70 mol% B?O?的硼硅酸鹽玻璃，并通過調節Li?O/Na?O與SiO?的比例優化玻璃網絡結構，實現了低密度（2.12–2.31 g/cm3）與高紫外透明度（截止波長低至326 nm）。

二、關鍵儀器支持：
研究中，放射發光（RL）光譜的精確測量借助了Freiberg Instruments lexsyg research，其配備的鎢靶X射線管（40 kV/1 mA）與高靈敏度CCD相機，確保了在復雜玻璃體系中準確解析Ce3?發光與缺陷發光的貢獻。

重要發現

一、Ce3?發光特性：

在X射線激發下，玻璃表現出明顯的Ce3?發光（2.7–3.6 eV），其雙峰發射源于5d1→4f（2F?/?, 2F?/?）躍遷（圖1）。

圖1. X射線激發下不同玻璃的RL光譜，綠色曲線為Ce3?發光峰

通過PL激發光譜（圖2）進一步驗證，Ce3?的激發峰位于4.0–4.5 eV，與玻璃基體的低紫外截止波長（<350 nm）高度匹配，減少了自吸收效應。

圖2. RL強度與紫外截止波長的負相關性，玻璃#10表現優異

二、缺陷發光的識別：

利用Lexsyg系統的高分辨率光譜分析，研究團隊成功區分了Fe3?雜質（1.75 eV）和非橋氧空穴中心（NBOHC, 1.85–1.95 eV）的發光信號，為優化玻璃純度提供了依據。

三、性能優異玻璃#10：

含1 mol% Ce?O?的玻璃#10（B?O?:SiO?=6.07:1）展現了高度RL強度（圖5），其紫外截止波長只有326 nm，且Ce3?發光效率明顯優于其他組分，成為潛在的高效閃爍體候選材料。

圖3. RL強度與紫外截止波長的負相關性，玻璃#10表現優異。

結論與展望

本研究通過lexsyg光譜儀的精確測試，揭示了硼硅酸鹽玻璃中Ce3?發光與缺陷的復雜相互作用（圖1-3）。高硼含量玻璃的優異紫外透明度和可調控發光特性，為開發低成本、大尺寸輻射探測玻璃奠定了基礎。未來，團隊計劃進一步優化Ce3?的局域配位環境，提升發光效率與響應速度。