王鹏飞教授：Mn²⁺在微晶玻璃中的双相选择性发光调控 | 中国激光·封面

Part.01

研究背景

在固态照明、显示技术和光信息存储快速发展的背景下，高效率、宽光谱、稳定可调的发光材料需求持续增加。例如，在宽带光源及多维光信息存储领域，要求材料不仅具备高发光效率，还需能通过结构设计实现光谱调控。传统玻璃体系虽然具有优异的透明性和加工优势，但由于结构无序、声子能量高，发光离子往往受到强烈的非辐射弛豫影响，导致离子发光效率较低，这一问题在过渡金属离子掺杂体系中尤为突出。

Mn²⁺离子因在可见光波段表现出宽带发射、长寿命等特性，被视为理想的宽带发光中心。然而，在普通玻璃中，由于晶体场较弱，其能级分裂受到限制，导致难以实现高效的发光和可控调制。因此，如何在保持玻璃体系透明性的同时引入有序晶体环境，改善Mn²⁺离子的局域配位结构，建立清晰的结构与光学性能之间的关系，成为该领域亟待解决的重要问题。

Part.02

创新工作

针对上述挑战，王鹏飞教授课题组设计并制备了一种 Mn²⁺离子掺杂的氟硅酸盐微晶玻璃体系。通过高温熔融—淬冷方法获得前驱体玻璃，并进一步采用可控热处理策略诱导晶体析出，实现了材料从无序玻璃向含纳米晶结构的微晶玻璃转变（图1）。

图1（a）微晶玻璃的TEM图；(b)微晶玻璃的HRTEM图；(c)前驱体玻璃与微晶玻璃XRD图谱；(d)0.3 Mn²⁺离子掺杂玻璃与微晶玻璃的发射光谱

结构表征结果表明，热处理后体系中形成了均匀分布的 KZnF₃ 纳米晶体，晶粒尺寸约为20~50 nm，且具有良好的结晶度。 在发光性能研究中，首先发现前驱体玻璃中的 Mn²⁺表现为约620 nm 的宽带红光发射，这对应于弱晶体场环境下的d-d跃迁。随着热处理进行，Mn²⁺离子逐渐迁移进入晶体相，其局域环境由无序玻璃转向更有序的晶格结构。光谱结果显示，发射峰明显蓝移至588 nm，并且发光强度较前驱体玻璃提升近40倍。 这一现象说明晶体场增强导致能级分裂增加，同时有效抑制了非辐射弛豫过程。

为了揭示结构与性能之间的关联，结合XRD、TEM和HRTEM系统分析了微结构演化。XRD结果证实了KZnF₃晶相的形成，同时HRTEM中观察到了与该晶相对应的晶面间距，这表明热处理过程成功实现了可控纳米晶的析出。光谱分析进一步表明，微晶化不仅改变了发射峰位置，还使激发谱变得更加窄化和对称，这反映了发光中心所处的局域环境趋于均一化。

本研究的核心优势体现在三个方面：

1、通过热诱导结晶策略实现了发光离子局域结构的精准调控；

2、建立了晶体场变化与发光行为之间清晰的结构-能级关联；

3、在保持材料透明性的同时显著提升了宽带可见发光性能。

Part.03

结论与展望

相比传统玻璃发光体系，该方法兼具结构可设计性与工艺可扩展性，为构建新型宽带发光和光信息功能材料提供了可行路径。

未来将进一步围绕多组分微晶结构设计开展研究，通过调控纳米晶类型与局域晶体场强度，实现更宽光谱范围及多维度发光调控。同时，将结合陷阱工程与多波长激发策略，探索其在光信息存储、可编程光功能器件及新型光源中的应用潜力。

团队围绕激光与光子技术开展系统研究，主要聚焦中红外波段光纤激光器、特种光学玻璃材料以及光纤传感技术等方向。团队致力于发展低损耗氟化物玻璃与稀土掺杂光纤，探索中红外激光产生与调控机制，并开展光纤光栅、微腔器件及飞秒激光微加工研究。同时，团队在特种玻璃设计与制备方面持续推进，通过优化玻璃组分与工艺实现高透过率和强发光性能，并拓展其在光通信、生物医疗、环境监测及智能传感等领域的应用。整体研究强调材料、器件与系统的协同创新，面向高性能光子器件与集成化应用发展。

王鹏飞教授，博士，特聘教授、博士生导师，国家级领军人才和国家级青年人才，Optica Fellow，IEEE Senior member，现任Infrared Physics & Technology 等多个国际期刊副总编和编委。主要从事中红外光纤激光器和特种光学玻璃材料研究，主持国家自然科学基金杰出青年项目、重点项目、科技部重点研发计划等多项国家级科研项目。

期

刊

简

介

《中国激光》是全面报道激光技术领域最新研究成果的旗舰级中文学术期刊（半月刊）。目前被EI、ESCI、AJ、CA、INSPEC、Scopus、CSCD等收录，位列中国科学院期刊分区表2区。根据《中国科技期刊引证报告》显示，《中国激光》综合评价总分在本领域内连续多年排名第一。17次被评为“百种中国杰出学术期刊”（获得次数最多的光学期刊）、6次入选“中国精品科技期刊”、2次荣获“百强报刊”称号，并多次获得“中国最具国际影响力学术期刊”和“中国国际影响力优秀学术期刊”等荣誉。2021年荣获“第五届中国出版政府奖”期刊奖提名奖。2022年入选《光学工程和光学领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”。2024年入选中国科技期刊卓越行动计划项目——领军期刊。

科学编辑 | 哈尔滨工程大学王鑫

编辑 | 沈灵灵