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稀土磷酸鹽玻璃的局域結構研究取得進展

文章來源：新能源網(wǎng) 更新時間：2025-11-11 16:22:54

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所在稀土磷酸鹽玻璃局域結構方面取得進展。研究團隊在原子尺度上解析了Sc3+離子的特征配位結構，闡明了其局域聚集機制，為理解稀土摻雜功能玻璃的構效關系及性能優(yōu)化提供了更深刻的理論依據(jù)。

　　稀土摻雜玻璃材料的光學與熱力學穩(wěn)定性，依賴稀土離子的局部配位環(huán)境和空間分布。以往研究采用光譜分析、拉曼、中子散射等手段來探討稀土離子在玻璃網(wǎng)絡中的配位狀態(tài)，但這些手段難以精準分辨并定量解析稀土離子的多種局域構型。同時，順次性稀土離子難以通過固態(tài)核磁共振進行有效探測，限制了對稀土離子與玻璃網(wǎng)絡連接機制及其結構演化規(guī)律的理解。這些局限使得稀土離子的局部有序性和網(wǎng)絡修飾機制缺乏系統(tǒng)研究。

　　研究選取無順磁性且具優(yōu)異固態(tài)核磁共振響應特征的Sc3+為模型離子，以模擬小半徑重稀土離子在磷酸鹽玻璃中的結構行為。研究進一步通過多維固態(tài)核磁共振技術，解析Sc2O3-xKPO3玻璃中31P、45Sc與39K的局域結構，揭示了Sc3+的配位特性與聚集規(guī)律。結果表明，Sc3+在玻璃網(wǎng)絡中完全呈現(xiàn)六配位態(tài)，并以共頂形式連接六個磷氧四面體[PO4]。研究確認了結構單元，并對鑒定出的9種單元進行定量分析。基于電荷、鍵數(shù)與空間分布概率的計算發(fā)現(xiàn)，Sc3+在5.5 Å范圍內存在聚集傾向。同時，研究據(jù)此構建其原子尺度的聚集模型。這一原子尺度模型揭示了稀土離子聚集的微觀機理，為理解和調控磷酸鹽玻璃的光學與熱學性能奠定了基礎，并有望指導材料設計以規(guī)避相分離風險。

　　相關研究成果發(fā)表在Journal of Non-Crystalline Solids上。研究工作得到到中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項的支持。

1Sc2O3-7.5KPO3玻璃中單元在Sc3+離子周圍的空間分布示意圖

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