Sm3+掺杂对锌-铋-磷酸盐玻璃物理、热学及光学性能的影响：辐射防护效率研究

《Radiation Physics and Chemistry》：Influence of Sm3+ incorporation in Zinc-Bismuth-Phosphate Glasses on Physical, Thermal, and Optical properties: A study of Radiation Protection efficiency

　　

研究人员采用熔融淬火法制备了组分为xSm2O3-(0.20-x)ZnO-0.45Bi2O3-0.35P2O5（x=0.010、0.015、0.020、0.025，分别记为SZBP1、SZBP2、SZBP3、SZBP4）的玻璃样品。X射线衍射（XRD）结果证实所有样品均呈非晶态。实测密度由5.43 g/cm3升高至6.12 g/cm3，摩尔体积则由42.23 cm3·mol-1降至38.54 cm3·mol-1。光学带隙能量从3.31 eV下降至3.09 eV，同时Urbach能量由0.09 eV上升至0.15 eV，表明Sm3+引起了玻璃基质的结构改性。差示扫描量热（DSC）曲线显示，玻璃转变温度由288 °C提升至319 °C，热稳定性随之增强。光致发光（PL）发射光谱呈现三个特征峰，分别对应4G5/2→6H5/2（562 nm）、4G5/2→6H7/2（600 nm）和4G5/2→6H9/2（645 nm）跃迁。此外，研究人员利用Phy-X/PSD及XCOM数据库计算了1 keV至100 GeV能量范围内的多种辐射屏蔽参数，包括线性衰减系数（LAC）、质量衰减系数（MAC）、半值层（HVL）、平均自由程（MFP）和有效原子序数（Zeff）。结果表明，随着Sm3+离子掺杂量的增加，玻璃的辐射屏蔽性能提升，而PL强度发生猝灭。综合性能显示，SZBP4（x=0.025）玻璃是优异的辐射防护候选材料。

该研究发表于《Radiation Physics and Chemistry》，聚焦于稀土离子Sm³⁺掺杂锌-铋-磷酸盐玻璃的多功能特性优化。当前，稀土掺杂玻璃因其在光伏器件、光学放大器、固态激光器及辐射防护领域的应用潜力受到广泛关注。磷酸盐玻璃凭借其开放的网络结构可容纳高浓度稀土离子，而铋酸盐组分能形成强Bi-O-P键以提升化学稳定性，氧化锌（ZnO）则通过Zn-O-P键改善热稳定性。然而，现有研究多孤立探讨光学性能或屏蔽性能，缺乏对物理致密化、热网络刚性、光致发光与辐射衰减效率之间关联性的同步解析。尤其对于Sm³⁺掺杂体系，如何在提升屏蔽性能的同时抑制浓度猝灭效应，实现多功能协同优化，仍是待解决的关键问题。为此，研究人员开展了系列Sm³⁺掺杂锌-铋-磷酸盐玻璃的制备与系统表征，旨在建立组分-结构-性能的关联规律，为无铅化多功能辐射防护材料的设计提供实验依据。

关键技术方法方面，研究人员采用标准熔融淬火工艺制备系列玻璃样品，原料选用高纯度Sm₂O₃、ZnO、Bi₂O₃和P₂O₅粉末。通过X射线衍射（XRD）验证非晶态结构，结合能量色散X射线光谱（EDX）进行元素成分分析。物理性质测试涵盖密度与摩尔体积计算；热学性能通过差示扫描量热法（DSC）测定玻璃转变温度与热稳定性；光学性能借助紫外-可见吸收光谱获取光学带隙与Urbach能量，并利用光致发光（PL）光谱分析发射特性。辐射屏蔽参数则通过Phy-X/PSD软件与XCOM数据库进行计算，覆盖1 keV至100 GeV宽能区，评估线性衰减系数（LAC）、质量衰减系数（MAC）、半值层（HVL）、平均自由程（MFP）及有效原子序数（Z_eff）的变化规律。

研究结果部分，首先，玻璃样品制备环节确立了xSm₂O₃-(0.20-x)ZnO-0.45Bi₂O₃-0.35P₂O₅的组分体系，选择45 mol% Bi₂O₃与35 mol% P₂O₅作为基础组成以确保良好玻璃形成能力。其次，XRD研究显示所有样品衍射图谱中均无尖锐布拉格峰，仅在20°至40°范围内呈现宽泛弥散峰，确证其非晶态本质，与预期结构一致。第三，物理性质分析表明，随Sm³⁺含量增加，玻璃密度由5.45 g/cm³升至6.12 g/cm³，摩尔体积相应减小，反映玻璃网络结构逐渐致密化。第四，光学性能测试结果显示，光学带隙能量从3.31 eV降至3.09 eV，Urbach能量由0.09 eV增至0.15 eV，证实Sm³⁺引入导致网络结构无序度增加与键合环境改变。第五，热学分析通过DSC曲线揭示玻璃转变温度由288 °C提升至319 °C，表明热稳定性随Sm³⁺掺杂量增加而增强。第六，光致发光光谱呈现三个典型发射带，分别归属于⁴G_5/2→⁶H_5/2（562 nm橙红光）、⁴G_5/2→⁶H_7/2（600 nm红光）及⁴G_5/2→⁶H_9/2（645 nm深红光）跃迁，且PL强度随Sm³⁺浓度升高呈现猝灭现象。第七，辐射屏蔽性能评估表明，随着Sm³⁺掺杂量提高，线性衰减系数（LAC）与有效原子序数（Z_eff）增大，而半值层（HVL）与平均自由程（MFP）减小，证实屏蔽效率显著提升，其中SZBP4样品表现最优。

讨论与结论部分指出，本研究首次在单一Sm³⁺激活的锌-铋-磷酸盐体系中实现了物理致密化、热稳定性、光致发光与辐射屏蔽性能的关联研究。研究发现Sm³⁺掺杂虽提升了密度与屏蔽能力，但亦引发浓度猝灭效应，需在多功能材料设计中权衡优化。结论明确：Sm³⁺成功引入玻璃网络并引起结构致密化；光学带隙收窄与Urbach能量增加反映了结构无序度的变化；玻璃热稳定性随稀土含量增加而提高；PL发射特性符合Sm³⁺的典型跃迁规律；辐射屏蔽效率随Sm³⁺浓度增加而增强，SZBP4（x=0.025）为最具潜力的无铅辐射防护材料候选者。该工作为开发兼具发光功能与高效辐射防护性能的新型玻璃材料提供了重要实验依据与设计思路。