氧化铈对碲硼酸盐玻璃物理、结构与光谱特性的影响及其在冷绿光发光器件中的应用

散发冷绿光的玻璃

从手机屏幕到智能照明，发光器件依赖于将电能或高能光转换成我们视觉喜爱的颜色的材料。本研究探讨了一种新型玻璃，掺入少量铈后能发出冷绿色光，目标是用于高能效灯具、光纤及其他光电子器件的未来应用。

制备一种特殊玻璃

研究人员以常见的成玻氧化物为起始原料：硼氧化物、碲氧化物和氧化钠。将这些粉末熔融并快速冷却后，制得透明的非晶玻璃。向该基底配方中逐步掺入少量氧化铈，制备出一系列铈含量递增的样品。X 射线测试表明所有样品仍保持无定形玻璃态而未结晶，这对制备均匀的光学构件至关重要。

窥探玻璃网络内部

为了解铈如何改变玻璃的内部结构，团队采用红外光谱学来读取原子在光通过时的振动特征。结果显示玻璃网络由硼酸盐与碲酸盐骨架构成，掺入铈会微妙重排这些单元。尤其是，铈的加入增加了“游离”氧的数量——即只与一个相邻原子结合而非两个。此类变化使网络变得更松软、降低了玻璃密度并增加了每个原子的空间，从而影响了材料中电子的迁移性及其对光的响应。

影响光传播的方式

科学家随后测量了玻璃对紫外和可见光的吸收。从这些测量中，他们估算出电子在材料中跃迁所需的能量（即光学带隙）以及玻璃的折射率——光线在其中的弯曲强度。随着铈含量的变化，光学带隙与折射率也发生改变，反映出更开放的结构与更强电子相互作用之间的微妙平衡。所制玻璃表现出相对较高的折射率和适宜的数值孔径，说明其在作为光纤芯和其他光导组件时具有良好的导光能力。

从不可见激发到可见绿光

最显著的行为在用高能光激发掺铈玻璃时出现。铈离子内的电子被激发到高能态，随后回落并以可见光子的形式释放多余能量。与产生尖锐谱线的发光不同，这些玻璃发出一个以绿色波长为中心的宽带，呈现冷绿色的荧光。通过调节铈含量，团队找到了一种最佳成分——在该处亮度达到峰值，更多的铈则因相互作用而导致发光效率下降。色度测量将发光定位于绿到带黄的区域，相关色温高于5000 K——对应冷色调的日光感受。

这对未来照明的意义

通俗地说，这项工作表明，一种精心调配的氧化物配方加上一点铈，就能将普通外观的玻璃转变为紧凑且耐用的绿色光源。由于相同材料还具有优良的弯光与导光特性，它在器件内部能够兼具传输信号与发光的双重功能。在所测试的样品中，含中等量铈的玻璃呈现出最强且最冷的绿色发光，使其成为下一代发光和光电子器件的有前途候选材料。

引用: Shiva Kumar, B.N., Vinay, D. & Devaraja, C. Effect of cerium oxide on physical, structural, and spectroscopic properties of tellurium-borate glasses for cool greenish light emitting devices. Sci Rep 16, 9859 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40883-y

关键词: 绿色发光玻璃, 掺铈玻璃, 硼酸盐-碲酸盐光学, 光电子材料, 冷白光照明元件