熵调控策略设计高折射率与力学性能的等原子比氧化物玻璃

本研究针对AR/VR显示器件对高折射率(nd>2.0)光学玻璃的迫切需求，通过熵工程策略成功制备了La2O3-Nb2O5-Ta2O5-Al2O3-TiO2-ZrO2体系等原子比多元氧化物玻璃。研究发现随着组分增加(混合熵ΔSmix从1.39R升至1.79R)，玻璃形成能力(GFA)和热稳定性显著提升，六元LNTATZ玻璃获得nd=2.20、Hv=10.53 GPa、E=162.5 GPa、KIC=1.346 MPa·m0.5的优异性能，为下一代智能显示器件提供了新型光学材料解决方案。

　　

在虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术迅猛发展的今天，显示器件核心部件——光学波导对玻璃基板提出了近乎苛刻的要求：既要具备高折射率(nd>2.0)以实现大视场角，又需要卓越的机械性能抵抗日常磨损。传统高折射率玻璃多基于La₂O₃-Nb₂O₅等二元体系，通过增加网络形成体(如SiO₂)含量来改善性能，但这种方法往往导致折射率下降，陷入"鱼与熊掌不可兼得"的困境。更棘手的是，现有玻璃的硬度(H_v)普遍低于9 GPa，断裂韧性(K_IC)不足1 MPa·m^0.5，难以满足移动设备抗跌落需求。

北京科技大学材料科学与工程学院的研究团队另辟蹊径，将材料科学前沿的"熵工程"概念引入氧化物玻璃体系。研究人员设计了三组等原子比的多元氧化物玻璃：四元LNTA(La₂O₃-Nb₂O₅-Ta₂O₅-Al₂O₃)、五元LNTAT(增加TiO₂)和六元LNTATZ(进一步添加ZrO₂)，混合熵ΔS_mix从1.39R梯度增加至1.79R。通过气动悬浮(ADL)结合激光加热技术实现无容器熔融，在410 K/s的超快冷却速率下获得直径3-5 mm的透明玻璃微球。研究团队综合运用X射线衍射(XRD)、差示扫描量热法(DSC)、核磁共振(²⁷Al-NMR)等技术，系统分析了熵效应对玻璃结构性能的调控机制，相关成果发表在《Cell Reports Physical Science》。

关键技术方法包括：(1)采用气动悬浮激光熔融技术实现无污染制备；(2)通过UV-vis-NIR光谱和椭圆偏振仪测定光学性能；(3)纳米压痕和维氏硬度测试力学参数；(4)基于Kissinger模型计算结晶活化能(E_a)；(5)利用Drude-Voigt振荡器模型解析折射率波长依赖性。

玻璃形成与结构特征

XRD图谱显示所有样品均呈现典型非晶弥散峰，EDS证实元素分布均匀。随着组分增加，第一衍射峰半高宽(Δq)从1.275 ?^-1(LNTA)增至1.666 ?^-1(LNTATZ)，表明混合熵提升显著改善玻璃形成能力(GFA)。²⁷Al-NMR揭示熵效应促使Al配位数从[4]向[6]转变，四元玻璃中Al[4]占84.2%，而六元玻璃中Al[6]提升至32.5%，平均配位数从4.840增至5.095，致密化结构为性能提升奠定基础。

光学性能突破

透过率测试显示所有样品在可见光区透过率>77%，近红外区>80%，紫外截止边344.7-363.3 nm。特别值得注意的是，折射率随熵增呈单调上升趋势：LNTA(nd=2.06)→LNTAT(nd=2.17)→LNTATZ(nd=2.20)。Drude-Voigt模型拟合证实，这种提升源于氧堆积密度(OPD)从63.04%增至66.31%，抵消了氧离子极化率(α_O)从2.736 ?³降至2.092 ?³的负面影响。

力学性能飞跃

纳米压痕测试揭示熵效应带来力学性能的全面提升：硬度从9.78 GPa(LNTA)提升至10.53 GPa(LNTATZ)，杨氏模量从148.2 GPa增至162.5 GPa，断裂韧性从1.045 MPa·m^0.5提升至1.346 MPa·m^0.5。这种提升与原子堆积密度(C_g)从0.5864增至0.6161直接相关，验证了Makishima-Mackenzie理论预测。

热稳定性机制

非等温动力学分析显示，六元玻璃的结晶活化能达657.3 kJ/mol，显著高于四元玻璃(464.1 kJ/mol)。Kissinger方程计算表明，高熵态通过"混淆效应"增加原子扩散势垒，DT值(LNTATZ=109°C)超越多数含网络形成体的传统玻璃。

该研究开创性地证实了熵工程在功能氧化物玻璃设计中的普适性价值：通过多组分等原子比设计，在La-Nb-Ta-Al-Ti-Zr六元体系中实现了折射率与力学性能的协同提升。LNTATZ玻璃兼具nd=2.20的优异光学性能和H_v=10.53 GPa的机械强度，其性能参数全面超越商用HOYA TAFD55-W玻璃(nd=2.001)。更值得关注的是，研究建立了Δq-GFA定量判据和E_a-ΔS_mix热稳定模型，为后续开发新型高熵功能玻璃提供了理论框架。这项成果不仅解决了AR/VR波导材料的关键技术瓶颈，更开辟了通过熵调控优化非晶材料性能的新范式，在精密光学、柔性电子等领域具有广阔应用前景。