科学网—浙江师范大学郭海等：基于Mg 2+共掺杂的晶格修饰策略增强Zn 2 SiO 4:Mn 2+荧光粉的发光、稳定性和闪烁性能-清华大学出版社学术期刊的博文
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2026-7-31 10:52
| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流
原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊
Cite this article:
Yu S, He G, Jiang X, et al. Enhanced luminescence, thermal stability, and scintillation performance in Zn 2 SiO 4 :Mn 2+ phosphors via lattice modification strategy based on Mg 2+ co-doping. Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221352
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221352
1 、导读
为应对高性能 X 射线成像闪烁体对高亮度、高稳定性的迫切需求，本研究提出基于 Mg 2+ 共掺杂的晶格修饰策略，设计了兼具优异热稳定性和高效 X 射线激发发光 (XEL) 的 Zn 2 SiO 4 :Mn 2+ 荧光粉。实验表明，引入小半径的 Mg 2+ 能够增强晶格刚性，从而显著提升材料的闪烁性能和热稳定性。闪烁性能方面，最佳样品的 XEL 强度达商用 BGO 晶体的 493% ，达到未掺杂样品的 2 倍， X 射线成像分辨率达到 20 lp/mm 。热稳定性方面，该材料在 483 K 时 XEL 强度保持为室温的 126% ， 563 K 时 PL 强度仍达室温的 110% ，在 Mn 2+ 基闪烁材料中处于领先水平。此外，基于该粉末制备的柔性薄膜还展现出优异的物理化学稳定性。该研究为开发新型高稳定 X 射线成像闪烁体提供了有效的设计策略。
2 、研究背景
闪烁体在辐射检测、医学成像及安全监控等领域发挥着不可或缺的作用。为了满足先进应用需求，闪烁体需要具备高光产额、高稳定性、低毒性等特点。与 传统块状商用闪烁体相比， 闪烁荧光粉具有高可塑性和组分可调性，可制成柔性薄膜用于复杂三维物体曲面成像，弥补了块状闪烁体在柔性场景中的不足。在众多粉末闪烁体中， Mn 2+ 基荧光粉因发射波长可调、低毒性和高发光效率而备受关注。 Mn 2+ 具有独特的 3d 5 电子构型，其 4 T 1 → 6 A 1 跃迁发射强烈依赖于基质晶格环境，但强电子 - 声子耦合效应使其发光对晶格振动极为敏感。在加热过程中， Mn 2+ 易发生严重的热猝灭。此外，掺杂引起的局部晶格畸变等缺陷也会加剧非辐射损耗，进一步降低发光效率。因此，如何有效提升 Mn 2+ 的热稳定性以获得高性能闪烁材料，成为了该领域的研究热点。
3 、文章亮点
（ 1 ） 采用晶格修饰策略（ Mg 2+ 共掺）改善了 Mn 2+ 的光致发光和闪烁性能。
（ 2 ） Mg 2+ 共掺使 Mn 2+ 的 XEL 强度提高 2 倍，达到了 BGO 粉末的 493% 。
（ 3 ） 最佳共掺杂样品在 483 K 下的 XEL 强度保持 303 K 时的 126% 。
（ 4 ） 基于最佳样品获得的薄膜具有 20 lp/mm 的空间分辨率及优秀的稳定性。
4 、研究结果及结论
Mn 2+ 和 Mg 2+ 掺杂不改变晶体结构。由于半径差异， Mn 2+ 取代 Zn 2+ 时会出现晶格膨胀。在引入半径更小的 Mg 2+ 后，晶格发生收缩，补偿了晶格膨胀带来的结构畸变，从而提高了晶格刚性。 XPS 图谱表明材料中 Mn 主要以 +2 价形式存在。
图 1 (a) Zn 2 SiO 4 的三维晶体结构模型。 (b) Zn 2 SiO 4 和单掺共掺样品的 XRD 图谱。共掺样品的 (c) SEM, (d) EDX 和 (e) XPS 图谱。
通过优化 Mn 2+ 和 Mg 2+ 的浓度，得到了最佳的单掺和共掺样品。实验发现，引入 Mg 2+ 后， Mn 2+ 的 PL 强度最高提升了 1.75 倍。同时，由于晶格修饰增加了辐射弛豫概率， Mn 2+ 4 T 1 → 6 A 1 的寿命有轻微缩短。
图 2 Zn 2 SiO 4 :0.3%Mn 2+ 的 (a) PLE 和 (b) PL 光谱。 (c) 最佳单掺和共掺样品的荧光衰减曲线。 Zn 2 SiO 4 :0.3%Mn 2+ , y %Mg 2+ 的 (d) PL 光谱和 (e) PL 积分强度值。
573 K 下，最佳单掺样品积分 PL 强度和 PL 峰值分别衰减到 303 K 下的 90% 和 70% 。而引入 Mg 2+ 后， 573 K 时最佳共掺样品的积分 PL 强度和峰强分别提高到 303 K 下的 110% 和 83% 。根据热释光分析， Mg 2+ 的引入降低了材料中有害缺陷的含量，修饰了 Mn 2+ /Zn 2+ 取代产生的晶格畸变，从而实现了 PL 激发下热稳定性的提升。
图 3 (a) Zn 2 SiO 4 :0.3%Mn 2+ 和 (b) Zn 2 SiO 4 :0.3%Mn 2+ ,0.4%Mg 2+ 的变温 PL 光谱。 (c) 和 (d) 分别为单掺和共掺样品积分 PL ， PL 峰强和半高宽随温度的变化趋势。 (e) 单掺和共掺样品紫外预激发后的热释光曲线。 (f) 晶格修饰机理图。
进一步对材料的 XEL 强度进行优化。随着 Mg 2+ 的引入，最佳共掺样品的 XEL 强度提升了约 2 倍，达到商用 BGO 粉末的 493% 。在 483 K 下，其积分 XEL 和 XEL 峰强分别达到 303 K 下的 126% 和 104% ，实现了 Mn 2+ 的反热猝灭闪烁发光。同时，最佳共掺样品具备优异的 X 射线线性响应性能和抗辐照稳定性。
图 4 (a) Zn 2 SiO 4 :0.3%Mn 2+ ,0.4%Mg 2+ 的 XEL 光谱。 (b) 共掺样品的变温 XEL 。 (c) 共掺样品积分 XEL 强度，半高宽随温度变化趋势图。 (d) 剂量率线性响应关系图。 (e–g) 抗辐照稳定性。 (h) 闪烁机理图。
Zn 2 SiO 4 :Mn 2+ ,Mg 2+ @PDMS 薄膜能够清晰呈现出材料内部的结构而不会造成明显的结构变形。评估得到的 X 射线空间分辨率达到 20 lp/mm 。薄膜在 363 K 下成像依旧保持室温下的成像水平。
图 5 (a) 自制闪烁成像系统。 (b–d) 薄膜和芯片的实物图以及闪烁成像图。 (e–f) 标准线对卡实物图和闪烁成像图。 (g) 柔性和刚性成像示意图和成像图。 (h) 高温成像。
5 、作者及研究团队简介
郭海（通讯作者） ，浙江师范大学教授，博士生导师。主要研究方向是新型稀土光学功能材料主要研究方向是发光材料，包括纳米材料、薄膜、粉末、玻璃、微晶玻璃等。以第一作者或通讯作者身份在 Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., J. Adv. Ceram., Adv. Opt. Mater., Laser Photonics Rev., J. Mater. Sci. Technol., J. Eur. Ceram. Soc., Chem. Eng. J., Sens. Actuators B Chem., J. Rare Earth., Opt. Lett., Opt. Express 等期刊上发表了约 240 篇 SCI 收录论文，被引用 10033 次， H 指数为 55 。主持国基项目 4 项，省基金项目 3 项（含 1 项省重点），获浙江省自然科学奖三等奖（排名第 1 ） 1 项，获重庆市自然科学奖三等奖（排名第 2 ） 1 项。 2015 年开始担任陶瓷类国际著名期刊 J. Am. Ceram. Soc . 副编辑（ Associate Editor ）。担任 J. Adv. Ceram . 期刊编辑，《中国稀土学报》、《发光学报》青年编委，中国硅酸盐学会特种玻璃分会理事，中国稀土学会光电材料与器件专业委员会理事等学术兼职。担任国家自然科学基金评审人。出版译著《无机固体光谱学导论》。
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
1) He G, Chen J, Li L, et al. Cu + -doped oxyfluoride glass with anti-thermal-quenching luminescence for X-ray imaging and WLED. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(8): 9221116. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221116
2) Li L, Chen J, He G, et al. Achieving anti-thermal-quenching in Tb 3+ -doped glass scintillators via dual-channel thermally enhanced energy transfer. Journal of Advanced Ceramics , 2026, 15(1): 9221220. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221220
3) Chen J, Mei Y, Lin H, et al. Eu 2+ -actived oxyfluoride glass with highly efficient blue–cyan luminescence for X-ray imaging and white LED applications. Journal of Advanced Ceramics , 2026, 15(5): 9221286. https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221286
《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，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。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， 2025 年发文量为 202 篇； 2026 年 6 月发布的影响因子为 14 ，连续 6 年位列 Web of Science 核心合集“材料科学，陶瓷”学科 34 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； 2026 年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。 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
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