Eu3+激活的碲化硼玻璃：一种兼具光子发射和伽马辐射防护双重功能的材料

《Radiation Physics and Chemistry》：Eu3+-activated Boro tellurite glass: A dual-functional material for photonic emission and gamma-radiation protection

Eu?O?掺杂锌硼碲玻璃通过熔融淬灭法制备，其密度随掺杂量增加从3.95增至4.23 g/cm3，摩尔体积减小表明结构致密化。XRD证实非晶态，光致发光在617 nm处显示Eu3?特征红发射，辐射屏蔽显示低能区光电吸收主导，高能区对Pair Production效应显著，MAC值随Eu?O?浓度变化呈现多机制协同衰减。

　　

阿里尤·萨尼（Aliyu Sani）| 莫哈德·哈菲兹·莫哈德·扎伊德（Mohd Hafiz Mohd Zaid）| 卡米鲁尔·阿明·马托里（Khamirul Amin Matori）| 穆罕默德·哈利斯·阿卜杜勒·卡里姆（Muhammad Khalis Abdul Karim）| 洛志伟（Loh Zhi Wei）

马来西亚普特拉大学（Universiti Putra Malaysia）理学院物理系，43400塞尔当，雪兰莪州，马来西亚

摘要

采用传统的熔融淬火技术成功合成了掺Eu₂O₃的锌硼碲酸盐玻璃体系，并对其结构、光学、光致发光和辐射屏蔽性能进行了表征。由于Eu₂O₃替代了硼碲酸盐玻璃网络中的部分轻氧化物，玻璃样品的密度从3.95 g/cm³增加到4.23 g/cm³，而摩尔体积从29.82 cm³/mol减少到28.77 cm³/mol，这表明其结构更加致密。XRD分析证实了这些玻璃样品的非晶态。Eu₂O₃浓度的增加使得光带隙从3.34 eV增加到3.41 eV。在395 nm的激发下，观察到了中心波长为617 nm的显著红光发射，这对应于Eu³⁺离子的⁵D_{0 → ⁷F2跃迁。这种发射现象是由于Eu³⁺离子占据了玻璃基质中的低对称性位点，从而增强了电偶极跃迁的概率，进而增强了红光发射强度。通过Phy-X/PSD模拟评估的辐射屏蔽性能显示，在低能量区域有明显的衰减。质量衰减系数（MAC）在0.015 MeV时为37.920至40.200 cm²/g，在0.02 MeV时为17.474至18.551 cm²/g，而在15 MeV时则降至0.033至0.034 cm²/g。这些变化反映了不同能量范围内光子相互作用机制的差异，即低能量下的光电吸收、中等能量下的康普顿散射以及高能量下的对产生。}

引言

对更高效率、更低成本且性能更优的高科技材料的需求不断增长，推动了未来型光学元件的发展。在这方面，透明玻璃因其出色的光子特性和结构完整性而成为一种可行的选择，尤其是在光学和光子应用中。这些材料克服了传统玻璃的局限性，使得在具有挑战性的环境中能够实现所需的强度和稳定性。核辐射的应用范围已显著扩展到医疗成像、化疗和核能发电等多个领域。随着基于辐射技术的广泛应用，对能够在极端条件下保持光学功能的坚固、透明且有效的屏蔽材料的需求也在增加（Lakshminarayana等人，2017；Divina等人，2020）。

由于玻璃在常温下的强度、刚性和化学稳定性，它们被广泛应用于各种实际场景。玻璃的一些独特性质在其他材料中难以找到，这促使近年来进行了大量研究并取得了显著进展。Mahmoud及其同事研究了氧化镉在碱金属硼酸盐玻璃中的影响（浓度范围为0至14 mol%），证明了其对玻璃基体物理和光学特性的显著影响（Mahmoud等人，2020）。含有Dy³⁺离子的重金属硼硅酸盐玻璃的结构和光学性质也得到了系统评估（Elkhoshkhany等人，2021）。像Dy₂O₃这样的稀土氧化物，以及其他离子如Gd、Nd和Pr，由于在中子屏蔽方面的有效性而受到了广泛关注。这些玻璃在光谱范围内具有高透明度，并能有效阻挡电离辐射（Kaur等人，2019）。

TeO₂是主要的玻璃网络形成剂，其较高的折射率使其能够形成高度极化的TeO₃和TeO₄单元，从而使光能够高效传输，从而可以开发出新型材料，如弹性纳米颗粒和紧凑的粘性颗粒。研究表明，这类材料可能提供与铅基玻璃系统相当或更优越的屏蔽能力，因此探索TeO₂与其他创新化合物的结合具有很大潜力。最终，现代辐射防护墙的设计需要在有效吸收、结构完整性、成本效益和环境可持续性之间取得平衡（Abdullah等人，2022；Beck等人，2023；Kozlovskiy等人，2022）。氧化硼（B₂O₃）是一种非常有前景的玻璃形成剂，因为它能够容纳多种改性氧化物，适用于多种应用。

基于硼酸盐的玻璃因其广泛的物理和化学性质以及可以在较低熔点下制备而受到广泛认可。为了选择合适的辐射屏蔽化合物，了解它们与伽马（γ）辐射的相互作用至关重要。近年来进行了大量研究来评估各种玻璃系统在辐射屏蔽方面的有效性（Alzahrani等人，2022）。硼酸盐玻璃因其结构灵活性、光学清晰度和阻挡电离辐射的潜力而受到关注（Divina等人，2020；Aqdim等人，2022；Alajermi等人，2022；Sayyed等人，2024a；Alawaideh等人，2024）。将ZnO掺入玻璃体系中可以降低粘度，从而改善玻璃制品的制备性能。最新研究表明，向磷酸玻璃体系中添加ZnO显著增强了其结晶倾向。ZnO的高含量使其具有半透明性，因此比含ZnO较少的玻璃更具优势（Kuusela等人，2020；Molaei，2024）。当玻璃样品中Eu₂O₃含量增加时，入射光子的MFP（光子迁移函数）降低，表明辐射屏蔽能力得到改善（D’Souza等人，2023）。稀土氧化物（REOs），尤其是宝石级稀土氧化物，单独使用或与其他玻璃体系掺杂后，在光子应用中产生了巨大影响。因此，稀土掺杂材料有可能最终取代传统材料（Mhareb等人，2025；Oruc等人，2025）。锌硼碲酸盐（ZBT）玻璃因其独特的性质和在光学及辐射屏蔽方面的潜在应用而受到广泛关注。研究发现，随着Eu³⁺离子含量的增加，这种玻璃的非线性光学特性和伽马射线屏蔽能力也随之增强。与其他广泛研究的用于防护有害伽马辐射的玻璃相比，ZBT玻璃表现出了更好的性能（Rammah等人，2021；Mhareb等人，2025）。

在本研究中，采用传统的熔融淬火技术成功制备了掺Eu₂O₃的锌硼碲酸盐玻璃，并对其结构、光学和辐射屏蔽特性进行了系统研究。Eu₂O₃的掺入改善了密度、折射率和有效原子数等关键物理参数，从而增强了材料内的光子吸收和散射作用。因此，所开发的玻璃具有高光学透明度，并提供了高效的辐射衰减能力，成为传统辐射屏蔽材料的有希望的替代品。

玻璃制备

玻璃制备

采用两阶段熔融淬火技术制备了以下成分的玻璃：20ZnO–30B₂O₃–(50-x)TeO₂-xEu₂O₃（x = 0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 mol%）。使用的前驱体包括：高纯度TeO₂（99.99%，Thermo Scientific）、B₂O₃（99.0%，Acros Organics）、ZnO（99.90%，Sigma-Aldrich）和Eu₂O₃（99.99%，Alfa Aesar）。精确称量这些氧化物粉末后，将它们充分混合并在950 °C的电炉中加热2小时。

物理性质

利用阿基米德原理测定了玻璃样品的密度，结果见表1和图3。结果显示，随着Eu₂O₃浓度的增加，密度逐渐增加，而摩尔体积则呈现下降趋势。密度和摩尔体积的这些变化与制备玻璃的物理结构变化密切相关（Alawaideh等人，2024）。随着Eu₂O₃含量的增加，密度从3.95 g/cm³增加到4.23 g/cm³。

结论

本研究全面评估了掺Eu₂O₃的锌硼碲酸盐玻璃的光学、结构、物理和辐射屏蔽性能，证实了其多功能潜力。随着Eu₂O₃浓度的增加，密度从3.954 g/cm³线性增加到4.232 g/cm³，但摩尔体积从29.82 cm³/mol减少到28.77 cm³/mol，表明其结构发生了压缩。XRD证实了玻璃的非晶态，FTIR检测到了BO₃、BO₄和TeO₃的存在。

CRediT作者贡献声明

阿里尤·萨尼（Aliyu Sani）：撰写初稿、可视化处理、软件应用、方法设计、实验研究、数据分析、概念构思。 卡米鲁尔·阿明·马托里（Khamirul Amin Matori）：撰写修订稿、数据验证、监督工作、数据分析、项目管理、资金获取。 莫哈德·哈菲兹·莫哈德·扎伊德（Mohd Hafiz Mohd Zaid）：撰写初稿、数据验证、项目监督、资源协调、资金申请、数据管理、概念构思。 洛志伟（Loh Zhi Wei）：撰写修订稿、数据验证、软件应用。 穆罕默德·哈利斯·阿卜杜勒·卡里姆（Muhammad Khalis Abdul Karim）：撰写初稿。

未引用的参考文献

AbouDeif和Marzouk，2018。

利益冲突声明

作者声明在本研究中不存在任何利益冲突。

致谢

本研究得到了马来西亚普特拉大学通过Geran Putra Berimpak（GPB/2025/9831900）项目的支持。