原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Pang T, Lin S, You F, et al. Synergistic enhancement of crystallinity and transparency in Tb3+-doped nano-glass-ceramics for high-resolution X-ray imaging. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221122

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221122

ResearchGate：Synergistic enhancement of crystallinity and transparency in Tb 3+ -doped nano-glass-ceramics for high-resolution X-ray imaging

1、导读

本研究提出一种复合调控策略，通过协同调控热处理温度、析出纳米晶原料及非晶玻璃网络结构，实现性能优化。以NaLuF₄: Tb³⁺玻璃陶瓷为例，获得的结晶度达58 %，透光率达90 %@542 nm，显著优于大多数高性能氟氧化物玻璃陶瓷。将该材料应用于X射线成像，实现了25.3 lp/mm的空间分辨率，同样高于多数氟氧玻璃及氟氧玻璃陶瓷闪烁体。本研究展示了优化玻璃原位析晶工艺在提升性能方面的重要性，为高性能玻璃陶瓷闪烁体的设计与开发提供了新思路。

2、研究背景

X射线闪烁体通过吸收部分入射X射线并将其转化为紫外/可见光信号，经由光电探测器接收并转化为可视信息，在X射线探测、医学影像及辐射监测等领域广泛应用。理想的闪烁体需具备高X射线吸收效率、高光产额、优异的物理/化学稳定性及抗辐射能力。无机闪烁体因其高密度、高原子序数以及良好的化学/机械稳定性，不仅检测效率高且适用于恶劣环境。目前商业化的无机闪烁体主要包括单晶（如Bi₄Ge₃O₁₂）、陶瓷（如Gd₂O₂S: Tb³⁺）和玻璃（如Tb³⁺掺杂硅酸钆玻璃）三大类。其中，玻璃闪烁体凭借高透明度、优异稳定性和良好可加工性备受关注，但其光产额低的问题亟待解决。

玻璃陶瓷闪烁体通过结合玻璃基质与晶体相的优势，在保留玻璃优势的同时，显著提升了光产额性能。然而，如何在玻璃中通过原位析晶实现结晶度与透明度之间的最优平衡，仍是一项重要挑战。根据瑞利散射理论，X射线激发产生的光子在玻璃陶瓷内部向外部传输时，会因晶粒散射而产生损耗；同时，虽然稀土离子在低缺陷密度的晶体相中富集有利于提升光产额，但晶体含量增加会导致散射加剧，从而形成结晶度与透明度的矛盾问题。因此，亟需开发新型材料设计策略以突破上述限制。

3、文章亮点

（1）提出一种复合调控策略，通过协同调控热处理温度、纳米晶原料及非晶玻璃网络结构，实现性能优化；

（2）以NaLuF₄: Tb³⁺玻璃陶瓷为例，获得的结晶度达58 %，透光率达90 %@542 nm，显著优于大多数高性能氟氧化物玻璃陶瓷；

（3）将该材料应用于X射线成像，实现了25.3 lp/mm的空间分辨率，优于多数氟氧玻璃及氟氧玻璃陶瓷闪烁体。

4、研究结果及结论

    采用传统的熔融-急冷-热处理工艺制备了系列NaLuF₄: Tb³⁺玻璃陶瓷材料。通过XRD和电镜分析证实：经过热处理，前驱体玻璃基质中析出立方相NaLuF₄: Tb³⁺纳米晶，平均粒径约30 nm，且在整个玻璃陶瓷基体中具有尺寸均一性。

图1 NaLuF₄: Tb³⁺玻璃陶瓷的物相及微结构 

通过协同优化热处理温度、纳米晶原料及非晶玻璃网络结构，成功实现了玻璃陶瓷材料结晶度和光学透过率的协同提升。经系统优化，NaLuF₄: Tb³⁺玻璃陶瓷的最佳制备工艺参数确定为：热处理温度700 °C，氟化物含量31.33 %，Si/Al比5.09。

机理研究表明：（1）当热处理温度超过玻璃化转变温度（T_g）时，显著增强的热力学驱动力会促进氟化物纳米晶的形核与生长。但温度超过结晶动力学的峰值后，Ostwald熟化效应发生，导致晶粒异常长大并造成结晶度和光学透过率的急剧降低；（2）适度增加氟化物原料的含量可提升结晶度并保持其光学透过率。但过量引入反而抑制纳米晶的形核与生长；（3）Si/Al比通过影响玻璃网络的电荷平衡与网络致密度对析晶产生调控作用。低Si/Al比导致带负电的基团积累，从而抑制纳米晶的析出，而高Si/Al比使玻璃网络过度致密，同样不利于析晶。

图2 NaLuF₄: Tb³⁺玻璃陶瓷的结晶度和透过率及Si/Al比相关的玻璃网络

X射线激发发光特性研究表明，Tb³⁺离子的最佳掺杂浓度为40 mol%。由于激发机制的不同，X射线激发发光呈现显著短于光致发光的寿命。同时，这种材料展现处优异的抗X射线辐照稳定性。

得益于前述优化的结晶度和透过率，我们所开发的玻璃陶瓷在X射线探测和成像领域展现潜在的应用价值。光产额、X射线探测限及X射线成像分辨率分别达到10,2000 photons×MeV^-1、1.26 nGy×s^-1和25.3 lp×mm^-1。

图3 X-射线激发发光的机理及性能评价

图4 X-射线探测及成像的应用评价

5、作者及研究团队简介

通讯作者：林世盛 工学博士，福建师范大学副教授。2016年和2018年在武汉理工大学材料学院获得学士和硕士学位，2021年在中国科学院福建物构所获博士学位，2023年7月博士后出站，同年作为福建省引进生加入福建师范大学。主要从事光功能玻璃陶瓷、光功能陶瓷的研发工作。主持国家自然科学基金青年项目、福建省自然科学基金青创项目2项课题。以第一作者/通讯作者在Adv. Mater.、Light Sci. Appl、Adv. Funct. Mater.、Laser Photonics Rev.等学术期刊发表SCI论文18篇，其中ESI高被引论文2篇，授权国家发明专利2项。

个人主页：http://cpe.fjnu.edu.cn/1c/fe/c16503a400638/page.htm

研究方向：光功能玻璃陶瓷、光功能陶瓷

作者邮箱：linshisheng@fjnu.edu.cn

作者ORCID：0000-0002-6908-7509

通讯作者：陈大钦 福建师范大学教授、博导、闽江学者特聘教授(2025年)。

主持国家重点研发课题和子课题各1项、国家自然科学基金5项、福建/浙江省杰青各1项、福建省自然科学基金重点项目2项和福建师范大学学科交叉创新团队项目等。以第一或通讯作者在Sci. Adv., Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Light Sci. Appl., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, ACS Energy Lett.和Nano Energy等期刊上发表SCI论文200多篇，ESI高被引论文30多篇，论文他引>21000次， H因子为86，授权发明专利30多项。2020-2024年连续同时入选《全球前2%顶尖科学家》年度和终生榜单。现为中国稀土学会光电材料与器件专业委员会委员、中国稀土学会第七届理事会专家库专家、中国硅酸盐学会特种玻璃分会理事、中国光学工程学会光与物质相互作用专业委员会委员；J. Adv. Ceram. (一区, IF=18.6)编委和J. Am. Ceram. Soc.副编辑(Associate Editor)。

第一作者：庞涛 工学博士，湖州师范学院理学院副教授、硕士生导师，福建师范大学物理与能源学院访问学者。主持省部及市厅级项目多项，获湖州市三育人先进个人。近年在Journal of Advanced Ceramics、Laser Photonics Reviews等期刊上发表SCI论文多篇；获授权发明专利3项。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1）Yang Z, Zheng S, Xi G, et al. Patterned phosphor-in-glass films with efficient thermal management for high-power laser projection displays. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(11): 2075-2086. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220809

2）Ma Y, Li X, Wu L, et al. Preparation of (Lu,Y)₃(Al,Sc,Cr)₂Al₃O₁₂ phosphor ceramics with high thermal stability for near-infrared LED/LD. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(3): 354-363. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220860

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer

期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自清华大学出版社学术期刊科学网博客。

链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-3534092-1494664.html?mobile=1

收藏

分享