掺杂Tb3+的透明玻璃复合材料，用于高性能宽带太阳盲深紫外光电探测器

硅酸盐玻璃复合材料中Tb³+掺杂实现宽谱太阳盲紫外探测，通过熔融淬火法制备Na3YSi3O9基材料，利用Y³+与Tb³+的离子半径和价态相似性提升掺杂均匀性，结合硅基光电探测器构建180-400 nm紫外探测器，较传统方案波段扩展8 nm，检测灵敏度与稳定性显著提高。

洪佳|徐颖牛|张瑞|何一文|徐璐佳|周慧|徐晓云|于彦涛|范冰冰|刘晓峰

河南省电磁变换与检测重点实验室及河南省新型太阳盲紫外和红外光电探测器研究中心，洛阳师范学院，洛阳471934，中国

摘要

硅酸盐透明微晶玻璃因其高热稳定性、高透明度和稳定的化学性质而被广泛用作稀土离子的基质。同时，Tb³⁺离子在强太阳盲紫外光激发下具有宽吸收截面、高发光量子效率以及灵敏的绿光光谱转换特性。因此，本研究使用了含有钇（Y）的Na₃YSi₃O₉硅酸盐玻璃。钇与铽（Tb）属于同一族元素，为Tb³⁺离子提供了许多结晶位点。由于Tb³⁺和Y³⁺离子的价态相同且离子半径相近，它们可以容易地互换。这种结构为提高稀土离子Tb³⁺的转换效率、光致发光效率和紫外光转换效率提供了巨大潜力。此外，通过将玻璃复合材料与基于硅的光导体集成，我们成功制造了一种太阳盲紫外探测器，并证明了其在180至400纳米波长范围内的实际应用能力。值得注意的是，其工作波段延伸到了深紫外（DUV）区域，超越了以往报道的同类产品。这一进展不仅表明这种玻璃复合材料可以用于构建复杂设备，还为新一代DUV探测器提供了有价值的解决方案。

引言

紫外（UV）辐射的波长范围从10纳米到400纳米，是自然界中最重要的辐射类型之一。根据国际照明委员会（CIE）的分类，UV辐射通常分为以下几个子区域：A波段（UVA，320至400纳米）；B波段（UVB，280至320纳米）；C波段（UVC，100至280纳米）；以及极紫外（EUV，10至120纳米）。太阳盲紫外波段的波长范围为200至280纳米，在这一范围内，太阳辐射会被地球大气中的臭氧层和水蒸气强烈吸收。因此，地表附近的紫外辐射强度极低，特别是在太阳盲紫外范围内，背景噪声也非常小。这些优异的特性使得在这一光谱范围内工作的紫外光电探测器在医疗诊断、臭氧检测、火焰检测、辐射监测、紫外跟踪、定位传感器、军事预警系统以及民用、军事和通信等多个领域得到了广泛应用。

开发高效的紫外敏感材料对于推进太阳盲紫外探测器的发展至关重要。目前，太阳盲紫外探测器主要采用宽带隙单晶半导体（如Ga₂O₃）制造，但由于制造成本较高，其应用受到限制。另一种方法是结合紫外光谱转换器和低成本的基于硅的传感器，这可能克服这一限制。然而，大多数用于制造光谱转换器的发光材料通常以粉末或纳米颗粒的形式存在，稳定性较差，无法满足宽带太阳盲深紫外（DUV）检测的要求。因此，开发出透明且高效的、具有强DUV激发光致发光特性的材料对于低成本紫外光电探测器的发展至关重要。

在我们之前的研究中，我们制备了掺杂Tb³⁺的氧氟化物玻璃复合材料（GC），并在玻璃基质中实现了KTb₂F₇纳米晶体的原位沉淀。基于这种材料，我们实现了覆盖188–280纳米波长范围的宽带光电检测，显著提高了太阳盲紫外光子的转换效率。然而，氧氟化物玻璃存在光学性质不均匀和热稳定性差的问题，限制了其在高性能光电设备中的实际应用。为了解决这些问题，我们选择了硅酸盐玻璃作为更有前景的替代材料，因为它们具有更好的结构稳定性和光学均匀性。因此，在本研究中选用了钠钇硅酸盐玻璃复合材料（SYSGC）作为基底材料。SYSGC的晶体相中含有Y³⁺，与Tb³⁺属于同一镧系元素族，为Tb³⁺的掺杂提供了丰富的结晶位点。由于Tb³⁺和Y³⁺的价态相同且离子半径相近，它们可以很容易地互换，从而有效地将太阳盲紫外光子转化为可见光。如支持信息中的图S1所示，掺杂Tb³⁺的SYSGC的发光性能明显优于氧氟化物玻璃陶瓷。通过将玻璃复合材料与基于硅的光导体集成，我们成功制造了一种太阳盲DUV探测器，并证明了其在180至400纳米波长范围内的实际应用能力，相比之前的研究，检测光谱范围扩大了8纳米。这些发现表明，这种玻璃复合材料可以用于构建复杂设备，并为新一代DUV探测器提供了有价值的解决方案。

SYSGC的制备

通过熔融淬火法制备含有Na₃Y_1–xTb_xSi₃O₉的SYSGC时，首先计算并称量了Na₃Y_1–xTb_xSi₃O₉各组分的摩尔比例。将50克原料在玛瑙研钵中彻底研磨并混合30分钟，然后将混合好的粉末转移到铂坩埚中，在1600°C下熔化1小时。熔化后，迅速将熔融玻璃淬火

结构和形态特征

NYS8 SYSGC和普通玻璃的XRD图谱如图1(a)所示，同时提供了Na₃YSi₃O₉晶体的标准图谱（JCPDS 01-072-2455）作为对比。衍射角2θ为15.0°、22.5°和34.0°的三个强峰分别对应Na₃YSi₃O₉的（211）、（321）和（440）晶面，未检测到杂质峰。根据Pauling规则，Tb³⁺（r = 92.3 pm）和Y³⁺（r = 90 pm）离子具有相同的价态和相似的离子半径

结论

总之，我们开发了一种高灵敏度的宽带太阳盲DUV光电探测器，采用掺杂Tb³⁺的SYSGC作为光谱转换器。所制备的SYSGC具有高稳定性、宽吸收截面、高光致发光量子效率以及优异的光谱转换性能，使其成为DUV光电探测器中理想的光谱转换材料。通过将合成的SYSGC与基于硅的光电探测器集成，我们成功构建了一种稳定的

利益冲突声明

不存在需要声明的利益冲突。

资助项目

本项目得到了河南省龙门实验室重大科技项目（231100220100）、河南省重点研发计划（231111222200）、河南省高等学校重点科研项目（26IRTSTHN023）、大学生创新专项（202510482001、202510482013）以及国家自然科学基金（52473262、12104163）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。