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本文的主要作者为P.L. Higby和I.D. Aggarwal，研究机构为美国海军研究实验室（Naval Research Laboratory, Washington, DC）。该研究发表于《Journal of Non-Crystalline Solids》第163卷，页码为303–308，出版时间为1993年。
该研究属于无机非晶态材料与玻璃科学领域，具体聚焦于钡镓锗酸盐玻璃（barium gallium germanate glasses，BGG玻璃）的物理性质与结构关系。锗酸盐玻璃因其相较于硅酸盐玻璃具有更长波长的红外截止波长，在光学透射应用中具有潜在价值。此前，已有大量关于碱金属锗酸盐玻璃和碱土金属锗酸盐玻璃的研究，尤其是碱金属锗酸盐玻璃的密度和玻璃转变温度（glass transition temperature，Tg）随组成变化会出现最大值，这一现象被解释为锗离子从四配位转变为六配位的结果。然而，碱土金属锗酸盐玻璃由于在大部分玻璃形成范围内会发生相分离，难以获得均匀玻璃，因此难以验证该结构模型。作者开展本研究的目的在于确定BaO–Ga₂O₃–GeO₂三元体系的玻璃形成范围、密度、折射率、Tg、化学耐久性和黏度等基本物理性质，并探讨Ga₂O₃含量固定的玻璃系列是否可以模拟碱土金属锗酸盐玻璃的行为，从而为低损耗光纤应用提供材料基础数据。
本研究的实验流程包括样品制备、热分析、密度测量、折射率测量、黏度测量和化学耐久性测试六个主要环节。首先，在样品制备环节，研究者以40 g熔体规模配料，使用纯度为99.9999%的GeO₂、纯度为99.999%的Ga₂O₃以及试剂级BaCO₃为原料。熔制在电阻炉中进行，使用铂或铂铑坩埚，并在惰性气氛保护下持续吹扫炉膛。熔体取出后置于耐火砖上冷却至室温。对于10BaO–15Ga₂O₃–75GeO₂和35BaO–35Ga₂O₃–30GeO₂这两个组成，熔体在从炉中取出时发生析晶，但将坩埚底部浸入水中淬冷后可以形成玻璃。玻璃形成与否通过偏光镜检测确定。冷却后的玻璃在由差热分析（differential thermal analysis，DTA）确定的Tg温度下退火至少1小时。其次，利用DTA测量每个组成的Tg和析晶温度（crystallization temperature，Tx），温度采用斜率截距法确定，精度为±3 K。第三，密度采用阿基米德法测量，以煤油为浸没介质，煤油密度为2.881 g/cm³，密度测量精度为±0.003 g/cm³，由此计算出的摩尔体积误差为±0.017 cm³。第四，折射率采用贝克线法和折射率匹配油测量，对于n>1.71的样品精度为±0.0025，对于n<1.71的样品精度为±0.001。第五，黏度采用热机械分析仪（thermomechanical analyzer，TMA）测量，所用技术已在其他文献中报道。第六，化学耐久性通过相对重量损失来表征。样品置于盛有蒸馏水的小瓶中，小瓶浸没在35°C的乙二醇恒温浴中。约每隔1小时称量一次，并在每次称量后更换新鲜蒸馏水。重量损失以单位表面积的质量损失表示，测量精度为±0.0013 mg/mm²。数据分析方面，黏度在10⁹·⁵至10¹⁰·⁵ Pa·s范围内用Arrhenius方程拟合，并根据拟合结果确定黏度等于10¹⁰ Pa·s时的温度，即10¹⁰等黏温度（isokom）。
研究结果显示，BaO–Ga₂O₃–GeO₂体系的玻璃形成区域中，除一个例外，Ga₂O₃/BaO比大于1.0的熔体在冷却时均发生析晶。接近晶体相BaGa₂Ge₂O₈（25BaO–25Ga₂O₃–50GeO₂）的组成在从炉中取出时析晶非常迅速。关于Tg，研究发现在恒定GeO₂含量下，Tg随Ga₂O₃/BaO比增大而持续升高，直到比值为1.0时达到最大值，之后下降。同时，在所有Ga₂O₃/BaO比下，Tg随GeO₂含量增加而降低。黏度方面，对于Ga₂O₃/BaO比等于1.0的玻璃，10¹⁰等黏温度随GeO₂含量增加而降低，表明锗氧键较弱。化学耐久性测试显示，Ga₂O₃/BaO比为1.0的玻璃在蒸馏水中的相对重量损失随GeO₂含量增加而增大，即耐久性随GeO₂含量增加而下降。尽管所有研究玻璃的耐久性均不如商用硅酸盐玻璃，但该趋势明显大于重复测量误差。折射率方面，随Ga₂O₃/BaO比增大，折射率先下降，在比值为1.0处达到最低点，之后随Ga₂O₃超过BaO而上升。同时，折射率随GeO₂含量增加而降低。密度行为与折射率大体相似，但在Ga₂O₃/BaO比为1.0处并未出现最小值。摩尔体积表现出与密度一致的趋势。更重要的是，在恒定Ga₂O₃含量为10、15和20 mol%的三个系列中，密度随BaO含量增加而单调上升，但摩尔体积在BaO含量增加过程中出现最小值。对于10 mol%和15 mol% Ga₂O₃系列，摩尔体积最小值出现在大致相同的BaO含量处。20 mol% Ga₂O₃系列由于在部分区域不能形成玻璃而出现数据间断。摩尔体积出现最小值意味着玻璃的堆积密度达到最大值，这提示可能存在六配位锗离子。
基于上述结果，作者提出了BGG玻璃的结构模型。镓离子以四配位GaO₄四面体形式进入网络，Ba²⁺离子作为电荷补偿离子以平衡两个GaO₄四面体的过剩负电荷。玻璃网络由GeO₄四面体彼此连接或与GaO₄四面体连接构成。当Ga₂O₃/BaO比小于1.0时，多余的Ba²⁺离子诱导非桥氧（non-bridging oxygen，NBO）的形成，导致网络断开，因而Tg较低。当Ga₂O₃/BaO比接近1.0时，网络连接最紧密，Tg达到最大值。当Ga₂O₃/BaO比大于1.0时，镓离子可能成为网络修饰体（network modifier），形成三簇（tricluster）或非GaO₄四面体的配位状态。黏度和化学耐久性随GeO₂增加而降低的现象进一步支持了锗氧键弱于硅氧键的结论。对于恒定Ga₂O₃含量系列中摩尔体积最小值的解释，作者讨论了两种可能机制。一种可能是当Ba/Ge比达到某一临界值时，每个锗四面体具有一个非桥氧，进一步添加Ba²⁺会因Ba²⁺离子尺寸大和/或形成第二类非桥氧而导致堆积密度下降。另一种可能是形成GeO₆²⁻八面体单元，类似于碱金属锗酸盐玻璃中的结构转变。然而，作者估算若以GeO₆²⁻解释该最小值，则需要至少20%的锗离子处于六配位。后续的EXAFS和FTIR数据显示，本研究中BGG玻璃未检测到六配位锗离子，而如果GeO₆²⁻浓度超过10%，EXAFS应能检测到。因此，作者认为堆积密度最大值也可能源于次级结构效应，如环尺寸重新分布或其他中间结构。在缺乏进一步结构研究的情况下，不能完全支持六配位锗模型、非桥氧模型或中间结构模型中的任何一种。
本研究的结论是，钡镓锗酸盐玻璃的结构类似于铝硅酸盐和镓硅酸盐玻璃，主要由四配位的Ge⁴⁺和Ga³⁺离子构成网络，Ba²⁺在GaO₄四面体上起电荷补偿作用。当Ga₂O₃/BaO比低于1.0时，过量的Ba²⁺主要诱导非桥氧的形成。该研究系统测定了BGG玻璃的多项物理性质，为锗酸盐玻璃在低损耗光纤领域的应用提供了基础数据，同时也为理解碱土金属锗酸盐玻璃中锗离子配位变化与物理性质之间的关系提供了重要参考。其科学价值在于扩展了锗酸盐玻璃的结构模型讨论，并指出仅凭密度或摩尔体积变化推断六配位锗存在可能存在局限性。应用价值在于明确了BGG玻璃的玻璃形成范围和耐久性限制，为后续光纤组成优化提供了实验依据。
本研究的亮点包括：系统表征了BaO–Ga₂O₃–GeO₂三元玻璃的多项物理性质；通过恒定Ga₂O₃含量系列成功模拟了碱土金属锗酸盐玻璃的行为；发现摩尔体积最小值并讨论了锗离子配位变化的可能性；结合后续EXAFS和FTIR数据对结构模型进行了批判性审视。此外，文中对玻璃制备中淬冷条件的控制以及黏度测试所采用的TMA技术也具有方法学参考价值。