六种不同RE3+离子作为改性剂对B-Na玻璃光致发光、电学、磁学和热学性质的影响

不仅仅让光透过的玻璃

我们通常认为玻璃是透明且被动的：透光、挡风雨，差不多就是这些功能。在这项研究中，研究人员展示了如何通过加入微量稀土元素，把一种非常简单的硼钠玻璃转变为一种智能的多功能材料。只需加入约1%的这些特殊金属氧化物，同一种玻璃就能调节为呈现不同颜色的发光、传导或阻挡电流与热量、对磁场产生响应并耐高温——这些性能对激光器、高效照明、传感器和能源器件都很重要。

打造更聪明的玻璃

团队从一个基础配方出发：50∶50的氧化硼与氧化钠混合物，常称为硼酸钠玻璃。硼原子可以以灵活的方式连接在一起，使这种玻璃在化学上易于调控。在这个简单的基体中，研究者分别加入了1%的六种不同稀土氧化物：镧、钕、钆、钬、铒和镱。所有样品均先熔融、快速冷却成玻璃，然后温和回火以消除内应力。通过保持基体组成和工艺一致，任何性质变化主要可归因于所掺稀土离子的不同。

将玻璃调制成指定色调的发光体

当用紫外光激发时，所有玻璃均发出强烈的蓝色光，但亮度和细微色调随稀土离子而显著不同。钆和铒产生了特别强的发射——钆给出非常明亮的蓝光，铒则带有绿意的色调——而有些离子，如镱和镧，则产生较弱的可见信号。作者用标准色表显示，所有样品都落在蓝到紫色区域，具有很高的“色温”值，表示冷色偏蓝的光线，类似晴朗北方天空。同时计算表明，铒掺杂玻璃具有最高的非线性光学响应，这意味着其在强激光照射下折射率可发生变化。这种强发光与非线性行为的组合使铒掺杂样品在光学开关、激光放大和先进光子电路中具有吸引力。

控制电、磁与热

除了光学性能，掺杂玻璃还表现出可调的电学和磁学行为。所有样品的电学表现都类似绝缘体，导电性随温度升高而增加，但随着稀土离子尺寸变小（从镧到镱），电流逐渐减小。详细建模表明，电荷主要通过离子在无序网络中在局域位点之间跳跃而流动，这与用于描述半导体玻璃的“跳跃”机制一致。在磁性方面，大多数稀土掺杂样品明显呈顺磁性——它们会被磁场弱吸引——因为其4f电子携带未成对自旋。钆由于其半充满的4f壳层表现出最强的响应，而镧因无未配对的4f电子，实际上使玻璃略呈抗磁性。热学测量显示，所有组成在大约800 °C以下稳定，而钕掺杂玻璃在软化与结晶之间显示出最宽的安全窗口，表明其优异的成玻能力。

按需保持或隔绝热量

作者还研究了每种玻璃的热导率，这是绝热与热电技术都关心的关键问题。在室温下，未掺杂的硼酸钠玻璃对玻璃来说传热相对较好，而加入稀土离子通常会将热导率降低到良好绝缘体的典型范围内。钆掺杂玻璃具有最低的热导率，这意味着钆的质量与尺寸不匹配会更有效地扰乱玻璃网络中的振动并散射传热波。将总热流分解为来自振动、电子和成对载流子的贡献后确认，网络中的振动占主导，这与一种仍可在电学行为单独调控的器件中使用的绝缘材料相一致。

从简单配方到多功能平台

总体而言，该研究表明，通过慎重选择添加哪种稀土离子，一种非常简单的玻璃配方即可转化为面向先进技术的灵活平台。铒在非线性光学和明亮发射方面最为突出，使其成为紧凑激光器和光学开关的有希望候选。钆则将非常明亮的发光、强磁性和低热导率结合在一起，指向其在辐射屏蔽、医学成像和热电模块中的应用。钕增强了热稳定性，有利于作为激光基体和耐用光学元件使用。通过在相同低浓度下更换不同稀土元素，工程师可以调配出所需的光学亮度、电阻率、磁性和热学行为的组合——就像在食谱中选择配料一样——以设计用于光子学和能源应用的下一代玻璃。

引用: 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

关键词: 稀土掺杂玻璃, 硼酸钠玻璃, 光致发光, 非线性光学, 热电材料