Bi2O3对掺Nd3+的碲化硼玻璃结构和光学性能的影响

《Optical Materials》：Role of Bi2O3 on structural and optical properties of Nd3+ doped boron-tellurite glasses

　　I.T. Lima | F.A. Carvalho | M. Seshadri | R.T. Alves | L.S. ávila | L.N. Rodrigues | M.J.V. Bell | V.C. Anjos
材料工程与光谱学研究小组，物理系，朱伊兹迪福拉联邦大学，36036-330，朱伊兹迪福拉-MG，巴西

**摘要**
硼酸盐玻璃是设计光学设备时广泛使用的材料。本文研究了掺杂Nd3+离子的重金属硼酸盐玻璃。通过熔融淬火技术制备的样品进行了X射线衍射、拉曼光谱、光学吸收和光致发光等分析。还进行了Judd-Ofelt分析和激光参数计算作为补充研究。本文重点讨论了不同Bi含量比对样品结构和光学性质的影响。从拉曼光谱来看，Bi含量的增加导致声子能量降低，并且TeO4结构单元转变为TeO3结构单元，从而改变了Nd3+离子周围的晶体场。我们的数据表明，光学带隙能并不依赖于样品中碲和铋的含量变化。相反，禁戒直接跃迁是形成带隙的主要原因，这很可能是由于6s Pb轨道与2p非桥接氧轨道之间的杂化作用。这一预测得到了确定光学带隙方法的支持。结果表明，当Bi含量比为0.6和0.2时，发光信号增强；而Bi含量比为1的样品具有最佳的发光性能。我们将稀土离子发射的减弱归因于玻璃网络结构的松驰效应。研究发现，Bi含量比为1的样品在特定跃迁中的分支比率介于67%至72%之间，相应的量子产率分别为87.99%、58.72%和53.95%，这说明在Nd3+密度恒定的条件下，这些样品有可能作为激光增益介质使用。

**引言**
硼酸盐玻璃因其能与碱土金属和过渡金属元素混合在低温下形成玻璃而得到广泛应用[1]、[2]、[3]。自20世纪80年代以来，基于重金属氧化物（HMO）的玻璃已应用于从伽马射线衰减到非线性光学器件等多个领域[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。重金属硼酸盐玻璃（尤其是含Bi和/或Pb的玻璃）在玻璃形成比例、低熔点、化学稳定性、高密度、高折射率和高三阶非线性光学敏感性等方面具有很高的灵活性[10]、[11]。这些特性可被利用来设计具有特定功能的材料[10]、[11]。早期研究了不同Bi2O3含量（20–66摩尔%）对铋硼酸盐玻璃的影响，重点关注其密度、热性能和结构性质[12]。研究表明，当Bi2O3含量在20–25摩尔%（约590°C）范围内变化时，玻璃转变温度（Tg）没有显著变化。这是因为Tg是拉伸力常数和平均交联密度的函数，而拉伸力常数又与键强成正比，因此玻璃配位数越高，Tg也越高。Saddeek等人[13]研究了Bi2O3含量变化对硼碲酸盐玻璃物理性质的影响，发现Bi3+的d轨道贡献增加了交联密度和配位数，从而导致Tg升高。Mallur等人[10]还研究了二元玻璃（B2O3–PbO和B2O3–Bi2O3）的折射率与成分的关系，发现随着重金属氧化物（TeO2、Bi2O3和PbO）含量的增加，光学带隙减小，这是因为基体中非桥接氧（NBO）的数量增加。最近的研究发现，掺杂Pr3+/Yb3+的重金属硼酸盐玻璃能产生可见光到近红外区的量子切割发光，其红外发射效率接近128%，有望提升硅太阳能电池的效率[14]。Gupta等人[15]发现增加Bi含量可以改善硼酸盐玻璃的光学性能，他们制备了八种样品，保持Nd3+掺杂量不变，结果发现Bi含量越高，发光性和激光参数越好。Bi含量的增加降低了声子能量，减少了非辐射跃迁，量子效率介于16%到73%之间[15]。

**结论**
本文研究了掺杂Nd3+的硼铅铋碲酸盐玻璃，通过改变样品中铋和碲的含量来探讨Nd3+性质的变化。分析了样品的各种光学性质，包括X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、紫外-可见光吸收（UV-Vis）、稳态发光（steady state luminescence）和时间依赖的发光寿命（time-dependent lifetime），以及Judd-Ofelt分析和激光参数计算。结果表明，结构单元的重组影响了样品的性质。

**作者贡献声明**
Leonarde N. Rodrigues：方法学、研究设计、数据管理
Leandro S. ávila：方法学、数据分析
Rafaela T. Alves：方法学、数据分析
Virgilio de Carvalho dos Anjos：写作与编辑、初稿撰写、监督、资源协调、项目管理、方法学研究、资金申请、数据分析、概念构建
Maria José V. Bell：写作与编辑、监督、资源协调

**未引用参考文献**
[52]

**利益冲突声明**
作者声明：他们没有已知的利益冲突或个人关系可能会影响本文的研究结果。