Yb2O3共掺杂对Lu2O3∶Eu透明陶瓷性能的影响

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0055

摘要/Abstract

摘要：

掺铕氧化镥（Lu₂O₃∶Eu）透明陶瓷因密度高（9.4 g/cm³），对MeV级X射线阻截能力强，在工业探伤等领域具有重要应用场景。但Eu³⁺离子半径较大，易诱发晶界偏析与残余气孔，导致散射损耗；同时，Lu₂O₃基体中存在深能级陷阱，会产生较强余辉，限制其在高频成像中的应用。本研究引入Yb₂O₃作为烧结助剂兼能级调控剂，采用真空烧结结合热等静压工艺制备（Lu_0.95-_xYb_xEu_0.05）₂O₃（x=0、0.01、0.03、0.05、0.10）透明陶瓷。结果表明，当Yb³⁺含量为10%（原子分数）时，样品在611 nm处的直线透光率由60%提升至74%。光谱分析证实了Eu³⁺→Yb³⁺的协同能量转移过程，该过程虽导致部分发光猝灭，但引入新的非辐射弛豫通道，与陷阱捕获形成竞争，使余辉强度降低近两个数量级，显著抑制了余辉。

关键词: Lu₂O₃∶Eu, 闪烁体, 透明陶瓷, 烧结助剂, Yb₂O₃

Abstract:

Europium-doped lutetium oxide （Lu₂O₃∶Eu） transparent ceramics exhibit high density （9.4 g/cm³） and strong stopping power for MeV-level X-rays， making them highly promising for applications such as industrial non-destructive testing. However， the relatively large ionic radius of Eu³⁺ tends to induce grain boundary segregation and residual porosity， leading to scattering losses. Meanwhile， the presence of deep-level traps in the Lu₂O₃ matrix results in significant afterglow， limiting their application in high-frequency imaging. In this study， Yb₂O₃ was introduced as a dual-functional sintering aid and energy-level regulator， and （Lu_0.95-_xYb?Eu_0.05）₂O₃ （x=0， 0.01， 0.03， 0.05， 0.10） transparent ceramics were fabricated via vacuum sintering combined with hot isostatic pressing. The results show that when the Yb³⁺ content is 10%（atomic percentage）， the in-line transmittance of the sample at 611 nm increases from 60% to 74%. Spectroscopic analysis confirms a cooperative energy transfer process from Eu³⁺ to Yb³⁺. Although this process induces partial luminescence quenching， it introduces new non-radiative relaxation channels that compete with trap capture， reducing the afterglow intensity by nearly two orders of magnitude and significantly suppressing the afterglow.

Key words: Lu₂O₃∶Eu, scintillator, transparent ceramics, sintering aid, Yb₂O₃

中图分类号:

TB484.5

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图/表 13

图1 试验流程示意图

Fig.1 Schematic diagram of test flow

图2 （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3透明陶瓷的XRD谱

Fig.2 XRD patterns of （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3 transparent ceramics

图3 （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3透明陶瓷表面晶粒SEM照片

Fig.3 SEM images of surface grains of （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3 transparent ceramics

图4 （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3透明陶瓷晶粒尺寸分布图（统计晶粒数N>200）

Fig.4 Grain size distribution diagram of （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3 transparent ceramics （statistical sample size N>200）

图5 （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3透明陶瓷SEM断面照片

Fig.5 Cross-sectional SEM images of （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3 transparent ceramics

图6 （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3透明陶瓷的透射光谱和样品照片

Fig.6 Transmission spectra and sample images of （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3 transparent ceramics

图7 （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3 透明陶瓷在波长为611和582 nm发射下的归一化光致发光激发谱

Fig.7 PLE spectra of （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3 transparent ceramics under emissions at 611 and 582 nm

图8 （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3透明陶瓷的光致发光发射谱

Fig.8 PL spectra of （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3 transparent ceramics

图9 （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3样品在250和241 nm激发下，在611和582 nm发射处的光致发光衰减曲线

Fig.9 PL decay curves of （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3 samples at 611 and 582 nm emissions under 250 and 241 nm excitation

表1 光致发光衰减曲线拟合结果

Table 1 PL decay curves fitting results

Sample	τ/ms （λ_ex=250 nm， λ_em=611 nm）	τ₁/ms （λ_ex=241 nm， λ_em=582 nm）	τ₂/ms	τ₃/ms
x=0.01	0.936（100.00%）	0.095（1.75%）	1.431（10.92%）	5.739（87.33%）
x=0.03	0.887（100.00%）	0.061（2.58%）	0.965（43.12%）	3.811（54.30%）
x=0.05	0.689（100.00%）	0.085（6.12%）	0.772（33.17%）	3.299（60.71%）
x=0.10	0.373（100.00%）	0.030（7.19%）	0.193（30.36%）	1.313（62.45%）

图10 （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3陶瓷的能量传递机制

Fig.10 Energy transfer mechanism of （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3 ceramics

图11 （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3透明陶瓷的X射线激发谱

Fig.11 XEL curves of （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3 transparent ceramics

图12 （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3透明陶瓷的余辉曲线

Fig.12 Afterglow curves of （Lu0.95-xYbxEu0.05）2O3 transparent ceramics

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Yb₂O₃共掺杂对Lu₂O₃∶Eu透明陶瓷性能的影响

Effect of Yb₂O₃ Co-Doping on Properties of Lu₂O₃∶Eu Transparent Ceramics

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