上海光学精密机械研究所----上海光机所在稀土磷酸盐玻璃的局域结构研究方面取得新进展

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超强激光科学卓越创新简报

(第七百二十一期)

2025年10月28日

上海光机所在稀土磷酸盐玻璃的局域结构研究方面取得新进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部在稀土磷酸盐玻璃局域结构研究中取得重要进展。研究团队在原子尺度上解析了Sc³⁺离子的特征配位结构，并阐明了其局域聚集机制，为理解稀土掺杂功能玻璃的构效关系及性能优化提供了更深刻的理论依据。相关成果以 “Structural Studies of Sc₂O₃–xKPO₃ Glasses by Solid-State NMR Spectroscopy”为题发表于Journal of Non-Crystalline Solids上。

稀土掺杂玻璃材料的光学与热力学稳定性高度依赖于稀土离子的局部配位环境和空间分布。以往的研究虽已采用光谱分析、拉曼、中子散射等各种手段来探讨稀土离子在玻璃网络中的配位状态，但这些手段难以精准分辨并定量解析稀土离子的多种局域构型。同时，顺次性稀土离子难以通过固态核磁共振（SSNMR）进行有效探测，进一步限制了对稀土离子与玻璃网络连接机制及其结构演化规律的深入理解。这些局限使得稀土离子的局部有序性和网络修饰机制仍缺乏系统认知。

本研究选取无顺磁性且具优异固态核磁共振（SSNMR）响应特征的Sc³⁺作为模型离子，以模拟小半径重稀土离子在磷酸盐玻璃中的结构行为。通过多维SSNMR技术，系统解析了Sc₂O₃-xKPO₃玻璃中³¹P、⁴⁵Sc与³⁹K的局域结构，进而揭示了Sc³⁺的配位特性与聚集规律。结果表明，Sc³⁺在玻璃网络中完全呈现六配位态，并以共顶形式连接六个磷氧四面体[PO₄]。研究明确指认了结构单元，并对鉴定出的九种单元（n = 0,1,2;m = 0,1,2,3）进行了定量分析。基于电荷、键数与空间分布概率的计算发现，Sc³⁺在5.5 Å范围内存在显著聚集倾向，据此构建了其原子尺度的聚集模型。该原子尺度模型揭示了稀土离子聚集的微观机理，为理解和调控磷酸盐玻璃的光学与热学性能奠定了基础，并能指导材料设计以规避相分离风险。