【会员论文】桂林电子科技大学张法碧教授＆中电科34所＆宁波大学：Gd³⁺对Tb³⁺掺杂Ga₂O₃的结构演化及光致发光调控

        由桂林电子科技大学张法碧教授联合中国电子科技集团第34研究所与宁波大学的研究团队在学术期刊 Materialia 发布了一篇名为Structural evolution and photoluminescence modulation by Gd³⁺ in Tb³⁺-doped Ga₂O₃（Gd³⁺对Tb³⁺掺杂Ga₂O₃的结构演化及光致发光调控）的文章。

        半导体基荧光材料因其在荧光防伪、紫外光电探测器、半导体激光器以及生物医学成像技术中的广泛应用，近年来受到越来越多的关注。Ga₂O₃ 拥有约 4.9 eV 的超宽带隙，能提供极宽的光谱透明窗口。具有极高的热稳定性，是非常理想的功率电子和电致发光器件材料。其晶格非常适合掺杂各种稀土（RE）激活剂，从而实现特定的发光功能。稀土离子以其尖锐的 4f-4f 跃迁、高颜色纯度和长发光寿命著称。由于其独特的 4f 电子跃迁能级结构，Tb³⁺ 在紫外光激发下能产生高效的绿光发射，是目前最常用的绿光荧光成分之一。现有的研究中，仅掺杂 Tb³⁺ 的 Ga₂O₃ 荧光粉常受到晶体结构限制、能量传递效率低下以及浓度淬灭效应的影响，限制了其发光强度的进一步提升。已有研究表明，Gd³⁺ 由于具有较低的 4f →5d 跃迁能级，在某些基质（如硼酸盐或磷酸盐）中可作为高效敏化剂来增强向 Tb³⁺ 的能量转移。目前关于 Gd³⁺ 在氧化镓体系中的作用，特别是如何影响晶相演变和能级对齐的机制，仍缺乏深入的研究探讨。

        通过共沉淀法制备了一系列 (Gd_xGa_1-x)₂O₃: Tb³⁺ 荧光粉（x = 0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7），以探究 Gd³⁺ 离子在调节晶相、能带结构和发光性能方面的双重作用。结果表明，Gd³⁺ 离子显著增强了 Tb³⁺ 的绿色发光强度，且这种增强效应与 Gd³⁺ 离子的浓度存在明显的依赖关系。随着 Gd³⁺ 含量的增加，主导相从 α-Ga₂O₃ 转变为 Gd₃Ga₅O₁₂ 和 Gd₃GaO₆，反映出对晶体结构的有效调控。光致发光和能量转移分析表明，Gd³⁺ 不仅作为高效的敏化剂促进向 Tb³⁺ 的能量转移，还作为结构调节剂，能够拓宽带隙并抑制非辐射损耗。这些结果证明了 Gd³⁺ 兼具光学敏化剂和结构稳定剂的双重功能，为优化稀土掺杂氧化物荧光粉的设计与性能提供了可行的策略。

        ●研究发现 Gd³⁺ 在体系中不仅是传统的光学敏化剂，还扮演了结构稳定的角色，通过同时调节晶相和电子能级来提升性能。

        ●光致发光分析证实，Gd³⁺ 能够作为敏化剂促进能量向 Tb³⁺ 的转移，极大地增强了 Tb³⁺ 的绿光发射强度。

        ●研究使用共沉淀法合成了系列 (Gd_xGa_1-x)₂O₃ 荧光粉，为低成本制备高性能稀土掺杂材料提供了参考方案。

本研究系统地探讨了 Gd³⁺ 浓度对 (Gd_xGa_1-x)₂O₃: Tb³⁺荧光粉的结构演变和光致发光性质的影响。随着 Gd³⁺ 含量的增加，宿主晶格经历了从 α-Ga₂O₃ 到立方晶系的Gd₃Ga₅O₁₂，再到正交晶系的 Gd₃Ga₁O₆ 的明显相变。其中，在 x = 0.3 时获得的石榴石型 Gd₃Ga₅O₁₂ 相为 Tb³⁺ 活化提供了最有利的宿主环境，产生了最强的绿色发光。

Gd³⁺ 起着双重作用：作为结构稳定剂，它提高了结晶度和相均匀性；作为光学敏化剂，使 Gd³⁺→Tb³⁺ 能量转移高效进行，同时抑制了非辐射复合。这种双重功能机制为调节稀土掺杂氧化物荧光体的光学性质提供了一种有效策略。与先前报道的 Ga₂O₃:Tb³⁺ 体系相比，优化的 (Gd_0.3Ga_0.7)₂O₃:Tb³⁺ 成分在发光效率和颜色可调性方面表现显著优于前者。这些发现加深了对 Gd³⁺ 介导的发光增强机制的理解，并为设计高性能绿色荧光粉确立了设计原则。

展望未来，通过共掺杂策略、缺陷工程及热处理控制进行进一步优化，有望拓宽此类材料在固态照明、显示技术及先进光电子器件中的应用范围。

        本研究得到广西科技计划项目（AD24010060、AD25069103）、国家自然科学基金（52262022、62205080、62174041、62361022）的资助， 广西精密导航与应用重点实验室（DH202202）、广西研究生教育项目（YCBZ2025153）、广西电子科技大学研究生教育创新项目（2025YCXS037）。

图1. 不同掺杂浓度的 (Gd_xGa_1-x)₂O₃: Tb³⁺ 材料的 SEM 图：(a) 0，(b) 0.1，(c) 0.3，(d) 0.5，以及 (e) 0.7。

图2. x = 0.3 时 (Gd_xGa_1-x)₂O₃: Tb³⁺ 材料的能谱图。

图3. 不同掺杂浓度的 (Gd_xGa_1-x)₂O₃: Tb³⁺ 材料的 XRD 图谱。

图4. 不同 Gd³⁺ 含量的(Gd_xGa_1-x)₂O₃: Tb³⁺ 材料的 PL 光谱（激发波长 λ_em = 545 nm）。

图5. (a) 不同 Gd³⁺ 含量的 (Gd_xGa_1-x)₂O₃: Tb³⁺ 材料的激发发光光谱（λ_ex = 274 nm）(b) 在 Gd³⁺ 离子激发（274 nm）条件下，Tb³⁺ 离子的积分激发发光效率随 x 参数变化的曲线。

图6. 不同 Gd³⁺ 含量的(Gd_xGa_1-x)₂O₃: Tb³⁺ 材料发光光谱的色度坐标，其中 λ_ex 分别对应 (a) 274 nm、(b) 310 nm、(c) 375 nm和 (d) 487 nm。

图7. Gd³⁺ 与 Tb³⁺ 之间能量转移的示意图。

DOI：

doi.org/10.1016/j.mtla.2026.102699