Влияние шести различных ионов RE3+ в качестве модификаторов на фотолюминесцентные, электрические, магнитные и тепловые свойства стекла B-Na

Стекла, которые делают больше, чем просто пропускают свет

Мы обычно думаем о стекле как о прозрачном и пассивном материале: оно пропускает свет, защищает от непогоды и на этом всё. В этом исследовании авторы показывают, как очень простое борно‑натриевое стекло можно превратить в умный многофункциональный материал всего лишь добавлением крошечных количеств редкоземельных элементов. При содержании оксидов этих металлов всего в один процент одно и то же стекло можно настроить так, чтобы оно светилось в разных цветах, проводило или блокировало электричество и тепло, реагировало на магнитные поля и выдерживало высокие температуры — свойства, важные для лазеров, энергоэффективного освещения, датчиков и энергетических устройств.

Создание более «умного» типа стекла

Команда взяла за основу простую рецептуру: 50–50 смесь оксида бора и оксида натрия, часто называемую натриевым боратным стеклом. Атомы бора могут соединяться гибкими способами, что делает такое стекло легко настраиваемым по химии. В эту простую матрицу ученые по отдельности вводили один процент шести различных оксидов редкоземельных элементов: лантана, неодима, гадолиния, голлия, эрбия и итттербия. Все образцы переплавляли, быстро охлаждали до стеклового состояния, а затем бережно отжигали для снятия внутренних напряжений. Сохраняя базовый состав и обработку одинаковыми, изменения в поведении можно было в основном отследить по тому, какой ион редкоземельного элемента присутствует.

Заставляя стекло светиться в заданных оттенках

При возбуждении ультрафиолетовым светом все образцы излучали яркое синее свечение, однако яркость и тоновые оттенки сильно зависели от редкоземельного иона. Гадолиний и эрбий дали особенно интенсивные эмиссии — Gd обеспечивал очень яркий синий свет, а Er добавлял зеленоватые тона — тогда как некоторые ионы, такие как итттербий и лантан, давали более слабые видимые сигналы. Авторы показали по стандартной цветовой шкале, что все образцы располагаются в области от синего до фиолетового, с очень высокими значениями «цветовой температуры», указывающими на холодный, голубоватый свет, подобный ясному северному небу. В то же время расчеты показали, что стекло, легированное эрбием, обладает наибольшим нелинейным оптическим откликом, то есть его показатель преломления может изменяться при сильном лазерном облучении. Такое сочетание сильной люминесценции и нелинейного поведения делает образцы с Er привлекательными для оптических переключателей, усиления в лазерах и продвинутых фотонных схем.

Контроль электричества, магнетизма и тепла

Помимо света, легированные стекла продемонстрировали настраиваемые электрические и магнитные свойства. Все они вели себя как электрические изоляторы, проводимость которых возрастает с температурой, но ток уменьшался по мере уменьшения размера редкоземельных ионов (от лантана к итттербию). Детальное моделирование показало, что перенос заряда в основном осуществляется за счет «перескакивания» ионов между локализованными сайтами в неупорядоченной сети, что согласуется с установленными механизмами для полупроводниковых стекол. По магнитным свойствам большинство образцов с редкоземельными добавками были явно парамагнитными — они слабо притягиваются магнитом — поскольку их 4f‑электроны имеют неспаренные спины. Гадолиний, с полунаполненной 4f‑оболочкой, показал наибольшую реакцию, тогда как лантан, не имея неспаренных 4f‑электронов, сделал стекло слегка диамагнитным. Тепловые измерения показали, что все составы стабильны примерно до 800 °C, при этом стекло с неодимом демонстрирует самое широкое температурное окно между размягчением и кристаллизацией, что свидетельствует о превосходной способности к образованию стекла.

Держать тепло внутри или снаружи по требованию

Авторы также изучили, насколько хорошо каждое стекло проводит тепло, что важно как для теплоизоляции, так и для термоэлектрических технологий. При комнатной температуре немодифицированное натриевое боратное стекло проводило тепло относительно хорошо для стекла, тогда как добавление редкоземельных ионов в целом снижало теплопроводность до диапазона, типичного для хороших изоляторов. Стекло, легированное гадолинием, показало наименьшее значение, что указывает на то, что несоответствие массы и размера ионов Gd сильнее нарушает колебания в сетке стекла и эффективнее рассеивает волны, переносящие тепло. Разделение общего теплового потока на вклады от колебаний, электронов и спаренных носителей заряда подтвердило, что в неупорядоченной сети доминируют колебания, что согласуется с изолирующим материалом, который тем не менее можно интегрировать в устройства, где электрическое поведение настраивается отдельно.

От простого рецепта к многофункциональным платформам

В целом исследование демонстрирует, что очень простая рецептура стекла может быть превращена в гибкую платформу для передовых технологий при тщательном выборе редкоземельного иона. Эрбий выделяется для нелинейной оптики и яркой эмиссии, делая его перспективным для компактных лазеров и оптических переключателей. Гадолиний сочетает очень яркую люминесценцию, сильный магнитизм и низкую теплопроводность, что указывает на применение в радиационной защите, медицинской визуализации и термоэлектрических модулях. Неодим улучшает термостабильность, что делает его подходящим для лазерных сред и долговечных оптических компонентов. Заменяя один редкоземельный элемент другим при той же низкой концентрации, инженеры могут точно подобрать желаемое сочетание оптической яркости, электрического сопротивления, магнитных и тепловых свойств — как выбор ингредиентов в рецепте — для проектирования стекол следующего поколения для фотоники и энергетики.

Цитирование: El-shabaan, M.M., Mohamed, A., Youssif, M.I. et al. Influence of six different RE³⁺ ions as modifier agents on the photoluminescent, electrical, magnetic and thermal properties of B-Na glass. Sci Rep 16, 5017 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35015-5

Ключевые слова: стекло, легированное редкоземельными элементами, натриевый борат, фотолюминесценция, нелинейная оптика, термоэлектрические материалы