Er3+-Yb3+摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的制備與光譜性質(zhì)研究.pdf

1、近年來，隨著980nm和800nm半導(dǎo)體激光二極管的迅速發(fā)展及商品化，稀土離子的上轉(zhuǎn)換發(fā)光受到了廣泛的關(guān)注，在上轉(zhuǎn)換激光器、信息處理、高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、海底通信、大屏幕視頻顯示(三維立體顯示)、半導(dǎo)體檢測(cè)、熒光防偽、生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)以及激光誘導(dǎo)熒光效應(yīng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。由此可見，對(duì)于上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的研究不僅具有重要的理論意義，而且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)領(lǐng)域也有相當(dāng)大的應(yīng)用潛力和實(shí)用價(jià)值。
　　 利用稀土離子發(fā)光實(shí)現(xiàn)可見光輸出一個(gè)

2、急需解決的問題是基質(zhì)材料的選擇。基質(zhì)聲子能量的大小在很大程度上影響著上轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)研究證明，氧氟玻璃系統(tǒng)既有氟化物聲子能量低、上轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，又有氧化物穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度大的特點(diǎn)，從而引起了人們極大的興趣。
　　 本課題結(jié)合碲酸鹽、鍺酸鹽體系聲子能量較低的優(yōu)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上引入PbF2、BaF2等調(diào)整劑，雙摻Er3＋/Yb3＋離子，制備了一種新型碲鍺氟氧化物體系TeO2-GeO2-PbF2-BaF2，針對(duì)基質(zhì)組分的含量、熔制工

3、藝條件以及稀土離子的摻量對(duì)玻璃形成能力、上轉(zhuǎn)換熒光性能以及相關(guān)物化性能的影響進(jìn)行了研究，并對(duì)相應(yīng)的氧化物體系TeO2-GeO2-PbO-BaO做了對(duì)比分析。旨在通過玻璃組分的優(yōu)化，制備工藝的改進(jìn)從而制備出發(fā)光性能優(yōu)越的樣品。
　　 對(duì)于Er3＋/Yb3＋離子雙摻碲鍺氧化物體系來說，通過對(duì)該體系三相圖內(nèi)一系列點(diǎn)的制備和研究，從而得到了該體系的玻璃形成區(qū)域，結(jié)合拉曼光譜和熒光光譜可以得出當(dāng)TeO2/GeO2比為6:1、PbO/BaO

4、比為1:1時(shí)玻璃的最大聲子能量較低，熒光性能較好。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析稀土離子濃度對(duì)上轉(zhuǎn)換熒光性能的影響，研究表明：最佳Er3＋離子濃度為0.4mol％，最佳Yb2O3/Er2O3比值為15:1。在980nmLD激發(fā)下樣品出現(xiàn)的三個(gè)發(fā)射峰分別位于525nm、545nm、657nm，依次對(duì)應(yīng)于2H11/2→4I15/2、4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2的躍遷，結(jié)合吸收光譜和Er3＋/Yb3＋離子能級(jí)圖我們對(duì)這三種躍遷的上

5、轉(zhuǎn)換機(jī)制進(jìn)行了分析，并探討了碲鍺氧化物玻璃在不同抽運(yùn)功率下與上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度的對(duì)數(shù)關(guān)系。從擬合數(shù)據(jù)的斜率值可得知，樣品的綠光和紅光發(fā)射均為雙光子過程，這與上轉(zhuǎn)換機(jī)制所分析的紅綠光上轉(zhuǎn)換的理論結(jié)果相吻合。
　　 對(duì)Er3＋/Yb3＋離子雙摻氟氧碲鍺酸鹽體系的研究可以發(fā)現(xiàn)其熒光性能明顯高于相應(yīng)的氧化物體系。在研究不同TeO2/GeO2比值對(duì)氟氧體系熒光性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“異?！爆F(xiàn)象：聲子能量高的氟氧鍺酸鹽樣品的上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高

6、于聲子能量低的氟氧碲酸鹽樣品，結(jié)合Raman光譜和聲子物理模型及其物理意義本論文對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了探討，研究表明：當(dāng)最大聲子能量相差不太大時(shí)，如果熒光譜圖中的振動(dòng)譜積分面積和擬合峰高數(shù)值小，則說明材料的聲子態(tài)密度小，無輻射躍遷幾率就低，所以上轉(zhuǎn)換發(fā)光就相對(duì)強(qiáng)；反之亦然，從而得出TeO2/GeO2為0時(shí)其發(fā)光強(qiáng)度最高，且熱穩(wěn)定性也較好。在僅考慮熒光性能的前提下可以得到70GeO2-25PbF2-5BaF2-1Er2O3-2Yb2O3(FGE

7、Y2)為最佳配方。同時(shí)考慮玻璃形成能力和熒光性能時(shí)可以得到46.67TEO2-23.33GeO2-30BaF2-0.2Er2O3-2.5Yb2O3(FBEY12.5)為最佳玻璃組成。通過對(duì)FGEY2樣品的TEM分析，可以發(fā)現(xiàn)在該樣品表面出現(xiàn)了很多微小的晶體，形成了微晶玻璃，從而導(dǎo)致其發(fā)光強(qiáng)度明顯提高。在980nmLD激發(fā)下FGEY2樣品出現(xiàn)的四個(gè)發(fā)射峰分別位于408nm、525nm、545nm、657nm，依次對(duì)應(yīng)于2H9/2→4I15

8、/2、2H11/2→4I15/2、4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2的躍遷，結(jié)合吸收光譜和Er3＋/Yb3＋離子的能級(jí)圖討論了稀土離子的基態(tài)吸收、激發(fā)態(tài)吸收以及稀土離子之間能量傳遞的關(guān)系，從而對(duì)這四種躍遷建立了相關(guān)的上轉(zhuǎn)換機(jī)制模型。探討了FGEY2樣品在不同抽運(yùn)功率下與上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度的對(duì)數(shù)關(guān)系。從擬合數(shù)據(jù)的斜率值可得知，樣品的藍(lán)光發(fā)射為三光子過程、綠光和紅光發(fā)射均為雙光子過程，這與上轉(zhuǎn)換機(jī)制所分析的紅綠藍(lán)光上轉(zhuǎn)換的理論結(jié)