Er3+-Yb3+摻雜上轉換發(fā)光材料的制備與光譜性質研究.pdf

1、近年來，隨著980nm和800nm半導體激光二極管的迅速發(fā)展及商品化，稀土離子的上轉換發(fā)光受到了廣泛的關注，在上轉換激光器、信息處理、高密度數據存儲、海底通信、大屏幕視頻顯示(三維立體顯示)、半導體檢測、熒光防偽、生物醫(yī)學檢測以及激光誘導熒光效應等領域有著廣泛的應用前景。由此可見，對于上轉換發(fā)光材料的研究不僅具有重要的理論意義，而且在國民經濟和國防建設領域也有相當大的應用潛力和實用價值。
　　 利用稀土離子發(fā)光實現可見光輸出一個

2、急需解決的問題是基質材料的選擇。基質聲子能量的大小在很大程度上影響著上轉換效率。經研究證明，氧氟玻璃系統(tǒng)既有氟化物聲子能量低、上轉換效率高的優(yōu)點，又有氧化物穩(wěn)定性好、機械強度大的特點，從而引起了人們極大的興趣。
　　 本課題結合碲酸鹽、鍺酸鹽體系聲子能量較低的優(yōu)點，在此基礎上引入PbF2、BaF2等調整劑，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，針對基質組分的含量、熔制工

3、藝條件以及稀土離子的摻量對玻璃形成能力、上轉換熒光性能以及相關物化性能的影響進行了研究，并對相應的氧化物體系TeO2-GeO2-PbO-BaO做了對比分析。旨在通過玻璃組分的優(yōu)化，制備工藝的改進從而制備出發(fā)光性能優(yōu)越的樣品。
　　 對于Er3＋/Yb3＋離子雙摻碲鍺氧化物體系來說，通過對該體系三相圖內一系列點的制備和研究，從而得到了該體系的玻璃形成區(qū)域，結合拉曼光譜和熒光光譜可以得出當TeO2/GeO2比為6:1、PbO/BaO

4、比為1:1時玻璃的最大聲子能量較低，熒光性能較好。在此基礎上進一步分析稀土離子濃度對上轉換熒光性能的影響，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)下樣品出現的三個發(fā)射峰分別位于525nm、545nm、657nm，依次對應于2H11/2→4I15/2、4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2的躍遷，結合吸收光譜和Er3＋/Yb3＋離子能級圖我們對這三種躍遷的上

5、轉換機制進行了分析，并探討了碲鍺氧化物玻璃在不同抽運功率下與上轉換發(fā)光強度的對數關系。從擬合數據的斜率值可得知，樣品的綠光和紅光發(fā)射均為雙光子過程，這與上轉換機制所分析的紅綠光上轉換的理論結果相吻合。
　　 對Er3＋/Yb3＋離子雙摻氟氧碲鍺酸鹽體系的研究可以發(fā)現其熒光性能明顯高于相應的氧化物體系。在研究不同TeO2/GeO2比值對氟氧體系熒光性能的影響時發(fā)現了一個“異常”現象：聲子能量高的氟氧鍺酸鹽樣品的上轉換發(fā)光強度遠遠高

6、于聲子能量低的氟氧碲酸鹽樣品，結合Raman光譜和聲子物理模型及其物理意義本論文對這一現象進行了探討，研究表明：當最大聲子能量相差不太大時，如果熒光譜圖中的振動譜積分面積和擬合峰高數值小，則說明材料的聲子態(tài)密度小，無輻射躍遷幾率就低，所以上轉換發(fā)光就相對強；反之亦然，從而得出TeO2/GeO2為0時其發(fā)光強度最高，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。同時考慮玻璃形成能力和熒光性能時可以得到46.67TEO2-23.33GeO2-30BaF2-0.2Er2O3-2.5Yb2O3(FBEY12.5)為最佳玻璃組成。通過對FGEY2樣品的TEM分析，可以發(fā)現在該樣品表面出現了很多微小的晶體，形成了微晶玻璃，從而導致其發(fā)光強度明顯提高。在980nmLD激發(fā)下FGEY2樣品出現的四個發(fā)射峰分別位于408nm、525nm、545nm、657nm，依次對應于2H9/2→4I15

8、/2、2H11/2→4I15/2、4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2的躍遷，結合吸收光譜和Er3＋/Yb3＋離子的能級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系，從而對這四種躍遷建立了相關的上轉換機制模型。探討了FGEY2樣品在不同抽運功率下與上轉換發(fā)光強度的對數關系。從擬合數據的斜率值可得知，樣品的藍光發(fā)射為三光子過程、綠光和紅光發(fā)射均為雙光子過程，這與上轉換機制所分析的紅綠藍光上轉換的理論結