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Color tunability and temperature sensing in transparent Dy3+/Eu3+ co-doped KGd2F7 oxyfluoride glass ceramics

通过高效的四极-四极能量转移，成功开发出透明 Dy³⁺/Eu³⁺ 共掺杂 KGd₂F₇ 氧氟化物玻璃陶瓷，实现了可调的黄至橙红发射和高精度光学测温，使其成为多色显示和温度传感应用领域具有前景的候选材料。

原作者： Zhushen Jiang, Huimin Ding, Youjun Cai, Kaikai Ren, Xin Wang, Yuepin Zhang

发布于 2026-08-21

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原作者： Zhushen Jiang, Huimin Ding, Youjun Cai, Kaikai Ren, Xin Wang, Yuepin Zhang

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

长期以来，照明和显示技术一直依赖于在受到能量激发时会发光的材料，但寻找一种既能根据需求改变颜色，又能作为精密温度计的单一物质，一直是科学家面临的一大挑战。这一挑战的关键在于稀土元素，这是一类以在受激时能发出非常特定颜色光芒而闻名的金属。当这些元素被捕获在固体材料内部时，它们可以在彼此之间传递能量，使得研究人员可以像画家混合颜料一样混合颜色。然而，原子周围的环境至关重要；如果材料过于僵硬或紊乱，光能就会以热量的形式损失掉。为了解决这个问题，科学家经常转向玻璃陶瓷——这是一种结合了玻璃的透明度和晶体的有序原子结构的混合材料。通过精心设计这些材料，研究人员可以创造出一个保护发光原子的宿主，使它们能够明亮地发光并高效地相互作用，从而为开发不仅仅是照亮房间的设备打开了大门。

在最近的一项研究中，来自中国宁波大学的一个研究小组创造了一种新型透明玻璃陶瓷，旨在实现这一目标。他们从包括二氧化硅和硼在内的常见玻璃原料混合物开始，并加入了特定量的镝（dysprosium）和铕（europium），这是两种稀土元素。这种混合物在极高的温度下熔化，然后迅速冷却形成透明玻璃。为了将这种玻璃转化为玻璃陶瓷，团队在较低的温度下再次对其进行数小时的加热。第二次加热步骤导致微小的晶体在玻璃内部形成，但并未使其变得浑浊。利用高倍显微镜，研究人员证实这些由 KGd2F7 化合物组成的晶体形状完美且极其微小，直径约为 15.7 纳米。由于它们比可见光的波长小得多，因此不会散射光线，使最终材料像窗户玻璃一样清晰透明。

这种材料真正的魔力在于两种稀土元素如何协同工作。当研究人员将近紫外光照射到样品上时，镝离子吸收了能量并开始发光，主要发射出黄色和蓝色的光。然而，团队观察到镧并不把所有能量都留给自己。相反，它将其中很大一部分传递给了附近的铕离子。这种能量传递导致铕发出强烈的深橙红色光。通过简单地改变混合物中添加的铕量，研究人员可以平滑地改变材料发射出的颜色。当铕含量极少时，玻璃发出温暖的黄色光。随着铕含量的增加，颜色经过橙色过渡，最终稳定在一种浓郁、纯正的红色。这种连续调节颜色的能力，使该材料成为开发定制照明或需要特定颜色的高质量显示设备的有力竞争者。

除了改变颜色之外，研究人员还发现这种材料还可以极其精确地测量温度。他们发现该材料发出的两种颜色——来自镝的黄色和来自铕的红色——对热的反应不同。随着温度升高，黄光消退的速度比红光快得多。通过比较这两种颜色的亮度，该材料可以充当内置温度计。团队在从 25°C 到 275°C 的广泛温度范围内测试了这一特性。他们发现该材料具有高度敏感性，能够检测到微小的热量变化。事实上，在室温下，该系统可以区分小至 0.021 摄氏度的温度差异。这种水平的精度表明，该材料可用于对准确、非接触式温度测量至关重要的场景，例如生物监测或环境传感。

研究还密切观察了能量如何在原子之间移动，以确保过程的高效性。通过测量初始能量脉冲后光持续的时间，团队计算出两种元素之间的能量传递非常有效，效率超过 55%。他们确定这种传递是通过原子间电场的一种特定相互作用实现的，而不是通过简单的碰撞或其他机制。这一发现证实了他们创造的晶体结构为这些稀土离子提供了理想的交流环境。结果表明，这种透明玻璃陶瓷不仅仅是一个实验室里的奇珍异物，而是一种实用的材料，它结合了产生可调控、高质量光线的功能与高精度传感器的功能，为未来的光学技术提供了多功能的解决方案。

技术摘要：透明 Dy³⁺/Eu³⁺ 共掺杂 KGd₂F₇ 氧氟化物玻璃陶瓷的颜色可调性与温度传感

问题陈述
包括固态照明、平板显示和光学热测量在内的光电技术的进步，需要高性能的发光材料，这些材料需具备高效率、精确的颜色可调性和可靠的温度敏感性。虽然无机玻璃和玻璃陶瓷（GCs）因其稳定性和成分灵活性而成为极具前景的基质，但优化微观结构和能量传递机制以实现同步的多色发射和高精度热测量仍是一个挑战。具体而言，需要一种能够结合氟化物低声子能量与氧化物结构稳定性的基质，以抑制非辐射弛豫，同时实现稀土离子之间用于颜色调节和比例计测的高效能量传递。

研究方法
本研究采用传统的熔融淬火技术结合热处理，合成含有 KGd₂F₇ 纳米晶体的透明氧氟化物玻璃陶瓷（GCs）。前驱体玻璃组分为 65SiO₂-12H₃BO₃-15K₂CO₃-(10-y)GdF₃-10KF-xDy₂O₃-yEuF₃。

合成： 将原材料在 1570 °C 下熔融，淬火形成前驱体玻璃（PG），随后在 450 °C 下退火 4 小时，以诱导纳米晶的析出。
结构表征： 利用 X 射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）确认相形成、晶体结构和纳米晶尺寸分布。
光学表征： 记录稳态光致发光（PL）和光致发光激发（PLE）光谱，以分析发射特性和能量传递机制。通过荧光寿命测量来量化能量传递效率。
热学分析： 在 298–548 K 范围内记录温度依赖性发射光谱。通过分析 Dy³⁺ 和 Eu³⁺ 发射之间的荧光强度比（FIR），确定绝对灵敏度（ $S_a$ ）、相对灵敏度（ $S_r$ ）和温度分辨率（ $\delta T$ ）。

主要贡献与结果

结构确认： XRD 和 TEM 分析证实了成功形成了均匀分散在非晶玻璃基质中的良好结晶单斜 KGd₂F₇ 纳米晶（空间群 I2/m）。平均晶粒尺寸确定约为 15.7 nm，该尺寸足以最小化光散射并确保高光学透明度。由 Dy³⁺ 和 Eu³⁺ 离子取代 Gd³⁺ 引起了轻微的局部晶格畸变，但并未破坏整体晶体框架。
颜色可调性： 通过改变 Eu³⁺ 浓度（0 至 1.2 mol%）并保持 Dy³⁺ 固定在 0.4 mol%，发射颜色可在黄色到橙红色之间连续调节。这种可调性源于从 Dy³⁺（敏化剂）到 Eu³⁺（激活剂）的高效能量传递（ET）。随着 Eu³⁺ 浓度的增加，Dy³⁺ 的黄色发射（580 nm）减弱，而 Eu³⁺ 的红光发射（616 nm）增强，在 1.2 mol% 时达到最大值且未发生浓度猝灭。
能量传递机制： 能量传递机制被确定为四极矩-四极矩相互作用，并通过 Dexter 理论和寿命数据的线性拟合得到了验证。能量传递效率（ $\eta_{ET}$ ）随 Eu³⁺ 浓度的增加而提高，在 1.2 mol% Eu³⁺ 时达到 55.6% 的最大值。随着 Eu³⁺ 含量的增加，Dy³⁺ 平均荧光寿命从 320.57 ns 降至 104.51 ns，这为该能量传递提供了定量证据。
光学热计性能： 共掺杂 0.4 mol% Dy³⁺ 和 1.2 mol% Eu³⁺ 的样品表现出两种离子截然不同的热猝灭行为，从而实现了比例计测温度传感。
- 灵敏度： 该系统在 298 K 时表现出最大绝对灵敏度（ $S_a$ ）为 0.372 % K⁻¹ 和最大相对灵敏度（ $S_r$ ）为 0.388 % K⁻¹。
- 分辨率： 在室温下计算出的温度分辨率（ $\delta T$ }）低至 0.021 K，表明具有高精度。
- 稳定性： 热计性能在 298–548 K 范围内保持稳定，分辨率没有出现剧烈波动。

意义
本文认为，Dy³⁺/Eu³⁺ 共掺杂 KGd₂F₇ 氧氟化物玻璃陶瓷是双功能应用的有力竞争者。该材料实现从黄色到橙红色的连续颜色调节的能力，使其适用于多色显示和定制化照明。此外，其高灵敏度和低温度分辨率表明，在生物传感和环境监测等领域具有显著的潜力。本研究为设计利用高效稀土离子能量传递来实现光子学和传感应用的自结晶氧氟化物玻璃陶瓷提供了有价值的指导。

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