稀土摻雜Lu2O3納米材料的制備與發(fā)光性質(zhì).pdf

1、稀土摻雜的納米發(fā)光材料由于在熒光粉、生物熒光標(biāo)記、三維立體顯示、固體激光器、透明陶瓷、溫度傳感器和太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域都具有潛在的應(yīng)用，引起了人們的廣泛關(guān)注。氧化镥(Lu2O3)具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性能、較低的有效聲子能量，易于實(shí)現(xiàn)稀土離子摻雜等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常優(yōu)秀的基質(zhì)材料。本論文主要以稀土摻雜的Lu2O3納米發(fā)光材料為研究對(duì)象，研究?jī)?nèi)容主要包含三個(gè)部分：第一部分首先概述了稀土離子的發(fā)光性質(zhì)和稀土發(fā)光材料的研究熱點(diǎn)，其次介紹了稀土發(fā)光材料常

2、用的幾種制備方法，然后給出了稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料和下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用。第二部分是關(guān)于稀土摻雜的Lu2O3基上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的研究，主要的研究?jī)?nèi)容和研究結(jié)果在第2章到第4章中進(jìn)行論述。第三部分是稀土摻雜的Lu2O3基下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的研究，主要的研究?jī)?nèi)容和研究結(jié)果在第5章中進(jìn)行論述。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　 1、采用共沉淀法制備Yb3+和Tm3+共摻雜的Lu2O3納米晶，研究了Tm3+濃度、Yb3+濃度和沉淀劑

3、溶液(NH4HCO3)pH值對(duì)納米晶的結(jié)構(gòu)和上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)的影響，并對(duì)上轉(zhuǎn)換機(jī)制進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：制備出的納米晶具有純的Lu2O3相，結(jié)晶性較好。在980nm激光激發(fā)下，Lu2O3∶2％Yb3+，0.2％Tm3+納米晶發(fā)射出中心波長(zhǎng)為490nm的藍(lán)光、653nm的紅色和811nm的近紅外上轉(zhuǎn)換熒光，分別對(duì)應(yīng)于Tm3+離子的1G4→3H6、1G4→3F4和3H4→3H6躍遷。發(fā)射強(qiáng)度與激發(fā)功率的關(guān)系表明，藍(lán)光490nm和紅光653n

4、m的發(fā)光是三光子過(guò)程，近紅外811nm的發(fā)光是雙光子過(guò)程。當(dāng)Tm3+濃度摻雜超過(guò)0.2％時(shí)，出現(xiàn)濃度猝滅效應(yīng)。并且隨Yb3+離子濃度的增加，Tm3+離子的藍(lán)光、紅光和近紅外發(fā)光的強(qiáng)度都先增加后減小，當(dāng)Yb3+的濃度為4％時(shí)，樣品的上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度最強(qiáng)。所以Yb3+，Tm3+的最佳摻雜摩爾濃度分別為4％和0.2％。測(cè)量Tm3+的1G4和3H4能級(jí)的壽命隨Yb3+濃度的變化，發(fā)現(xiàn)能級(jí)的壽命隨著Yb3+濃度的增大而減小。這主要是因?yàn)閅b3+濃度

5、的增大使得Tm3+向Yb3+的反向能量傳遞幾率增大，同時(shí)也引入了更多的缺陷進(jìn)入到基質(zhì)晶格中。
　　 當(dāng)沉淀劑溶液pH值為11時(shí)，Lu2O3∶2％Yb3+，0.2％Tm3+納米晶的上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度最強(qiáng)，這主要是因?yàn)榧{米晶的增大和減少了表面吸附OH-基團(tuán)。在266nm激發(fā)下，發(fā)現(xiàn)Lu2O3∶0.2％Tm3+納米晶的發(fā)光強(qiáng)度比Lu2O3∶2％Yb3+，0.2％Tm3+的發(fā)光強(qiáng)度要強(qiáng)，這主要是一方面可能存在Tm3+向Yb3+的能量傳遞，使

6、得Tm3+的發(fā)光減弱。另一方面Lu2O3∶0.2％Tm3+納米晶的平均粒徑大于Lu2O3∶2％Yb3+，0.2％Tm3+納米晶，比表面積減小，表面的缺陷減少。
　　 2、采用溶膠凝膠法制備不同Li+摻雜濃度的Lu2O3∶2％Yb3+，0.5％Tm3+納米晶，研究Li+離子摻雜對(duì)Lu2O3∶2％Yb3+，0.5％Tm3+納米晶的上轉(zhuǎn)換發(fā)光的增強(qiáng)效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Li+摻雜能夠提高納米晶的上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度，并且當(dāng)Li+的摻雜濃度為7％

7、時(shí)，上轉(zhuǎn)換發(fā)光最強(qiáng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析，提出了Li+摻雜的增強(qiáng)機(jī)制：Li+摻雜雖然沒(méi)有改變Lu2O3的晶體結(jié)構(gòu)，但是Li+的引入使Lu2O3晶胞的反演對(duì)稱(chēng)性被破壞，降低了局域晶體場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性，使得稀土離子4f電子躍遷幾率增加，進(jìn)而提高上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率。此外，Li+的加入使納米晶的晶粒長(zhǎng)大，表面缺陷減少。
　　 通過(guò)研究溫度對(duì)納米晶上轉(zhuǎn)換發(fā)光的影響，我們發(fā)現(xiàn)低溫下上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度較低。這是因?yàn)閅b3+傳遞給Tm3+是非共振能量傳遞，需要

8、聲子的協(xié)助，而在低溫下，聲子密度較低，所以上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度變?nèi)酢?br>　　 3、采用水熱法制備Lu2O3∶2%％Yb3+，0.2％Tm3+納米晶，研究了前軀體溶液pH值對(duì)前驅(qū)體粉末和納米晶的結(jié)構(gòu)和形貌影響。用X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、熱重分析儀(TG)和傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果表明前驅(qū)體粉末并沒(méi)有直接成Lu2O3相，而是一個(gè)新相一Lu4O(OH)9(NO3)。SEM顯示納米晶的形

9、貌和前驅(qū)體粉末的形貌一樣，只是尺寸減小了。煅燒前軀體粉末得到的Lu2O3∶2％Yb3+，0.2％Tm3+納米晶具有純的Lu2O3相，結(jié)晶性較好。當(dāng)前驅(qū)體溶液pH值為9時(shí)，上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度最強(qiáng)，這是因?yàn)長(zhǎng)u2O3∶2％Yb3+，0.2％Tm3+納米晶的尺寸最大，其表面吸附的OH-基團(tuán)最少。
　　 4、采用共沉淀法制備Tb3+和Yb3+共摻的Lu2O3納米粉末，研究了納米粉末的結(jié)構(gòu)和光致發(fā)光光譜。XRD結(jié)果表明，制備的納米粉末為立方相

10、的Lu2O3結(jié)構(gòu)。在UV光激發(fā)下，可以看到很強(qiáng)的543nm附近的綠光發(fā)射和973nm附近的近紅外光發(fā)射。兩個(gè)發(fā)射分別對(duì)應(yīng)于Tb3+(5D4→7F5)和Yb3+(2F5/2→2F7/2)的躍遷。被激發(fā)的Tb3+可以把能量交給兩個(gè)鄰近的Yb3+，從而導(dǎo)致Yb3+發(fā)射。研究了發(fā)光強(qiáng)度和壽命對(duì)Yb3+摻雜濃度的依賴(lài)，證實(shí)了從Tb3+到Y(jié)b3+的高效能量傳遞過(guò)程，且合作能量傳遞是一種可能的傳遞方式。當(dāng)Lu2O3中摻雜1％Tb3+和2％Yb3+的情