Nd3+浓度对碲磷酸盐玻璃结构、物理及光学性能调控作用及其光子学应用研究

《Journal of Luminescence》：Role of Nd3+ Concentration in Modulating the Structural, Physical and Optical Properties of Tellurite-Phosphate Glasses for the Photonic Applications

　　

研究人员采用传统熔体急冷法制备了一系列化学组成为(75-x)TeO2-15ZnO-10P2O5-xNd2O3（x=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mol%）的碲酸盐玻璃，并系统表征其结构、物理及光学性能。X射线衍射结果显示所有样品均在20°–40°呈现宽漫散射峰，证实其为非晶态。傅里叶变换红外光谱揭示了TeO4向TeO3三角锥结构的转变，并形成互连的磷酸盐网络，特征吸收带位于625–640、521–752、925–928、1042–1061及1314–1331 cm-1。玻璃密度随Nd2O3掺量增加由4.06升至4.79 g·cm-3，反映了原子质量、离子半径及网络交联度的变化。光学测试表明间接带隙能量（Eind）介于3.48–3.61 eV，乌尔巴赫能（EU）介于0.39–0.57 eV，折射率在2.251–2.278范围内，摩尔折射率从19.33增至22.91 cm3，电子极化率从7.67×10-24增至9.08×10-24cm3。Nd3+的吸收光谱显示十个跃迁，其中583 nm和808 nm为超灵敏带，表明存在强共价键。在748 nm激发下，Nd3+掺杂碲酸盐玻璃于367、486、819及864 nm处出现四个发射带，分别对应2P3/2、4G9/2、4F5/2+2H9/2和4F3/2到基态4I9/2的跃迁。结果表明样品呈现弱紫外、蓝绿及近红外发光，适合用于多波长光子学应用。

本研究发表于《Journal of Luminescence》，聚焦于稀土离子Nd³⁺掺杂碲磷酸盐玻璃的光子学潜力。碲酸盐玻璃因其高折射率、低声子能量和宽红外透过窗口，被视为优异的光功能材料基体，尤其在稀土掺杂激光与放大器应用中表现突出。然而，Nd³⁺在不同玻璃基体中的浓度效应与其对结构、物理及光学性能的调控机制尚缺乏系统性研究，尤其是在碲磷酸盐体系中，其浓度变化如何影响非晶稳定性、网络结构与发光行为仍待阐明。研究人员旨在通过调节Nd₂O₃含量，探索其对玻璃网络结构及光学跃迁特性的影响，为开发适用于多波段光子集成的玻璃材料提供实验依据。

研究中采用了熔体急冷法制备玻璃样品，利用X射线衍射确认非晶态，傅里叶变换红外光谱解析玻璃网络结构变化，紫外-可见吸收光谱测定光学带隙与乌尔巴赫能，折射率和极化率计算评估光学响应特性，并借助荧光光谱分析Nd³⁺的能级跃迁与发光性能。所有样品均基于相同基体配方，仅改变Nd₂O₃浓度，以保证变量单一性。

X射线衍射分析

研究人员对所有样品进行了XRD测试，结果显示均在20°–40°呈现宽漫散射峰，无尖锐晶体衍射峰，证实玻璃为非晶态。仅在0.2 mol% Nd₂O₃样品中观察到微弱的结晶峰，提示该浓度下可能出现微量晶相。

FTIR光谱分析

红外光谱揭示了TeO₄单元向TeO₃三角锥结构的转化，同时磷酸盐网络形成互连结构，多个特征吸收带对应不同的键振动模式，表明Nd³⁺掺杂影响了玻璃的网络交联度和局部配位环境。

物理性质

密度随Nd₂O₃含量增加而上升，反映原子质量和离子尺寸的变化。折射率、摩尔折射率及电子极化率亦随之增大，说明Nd³⁺引入增强了玻璃的光学响应能力。

光学性质

间接带隙能量随掺杂浓度呈非线性变化，乌尔巴赫能则在一定范围内波动，表明玻璃结构无序度受Nd³⁺调控。吸收光谱中观察到的超灵敏跃迁带说明Nd³⁺与基体之间存在显著的共价相互作用。

发光性能

在748 nm激发下，玻璃出现紫外至近红外的多波段发射，主要来源于Nd³⁺的特征能级跃迁。虽然可见光区域发光强度较弱，但多波段发射特性提升了其在宽带光子器件中的潜在适用性。

讨论部分指出，Nd³⁺掺杂不仅改变了碲磷酸盐玻璃的局部结构，还显著影响了其光学带隙、折射率及发光行为。研究证实，适当控制Nd₂O₃浓度可在维持非晶稳定性的同时优化光学性能，这为设计新型多波长光子学玻璃提供了重要参考。结论部分强调，所制备的Nd³⁺掺杂碲磷酸盐玻璃具有结构可调、光学响应多样的特点，适合应用于激光增益介质、宽带光源及多波段光子集成平台。