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稀土激活的LuBO_3、Lu_2O_3纳米材料的制备与发光性质

李艳平  
【摘要】: 人们发现当材料的尺寸减小到纳米尺度时,相应于其体材料一些性质会得到显著的改善。因此稀土掺杂的纳米发光材料在高分辨显示,荧光标记,生物成像、疾病的诊断与治疗等领域都具有潜在的应用,引起了人们的广泛关注。硼酸镥(LuBO3)和氧化镥(Lu2O3)由于具有较高的密度,较大的镥原子数,以及较好的物理特性和较高的化学稳定性,是一类非常优秀的基质材料。本论文以稀土离子激活的LuBO3、Lu2O3纳米材料为研究对象。采用水热法合成了LuBO3:Eu3+微、纳米晶,Lu2O3:Eu3+纳米棒、纳米片和纳米颗粒,以及Yb3+, Er3+共掺杂的Lu2O3纳米晶和Yb3+, Er3+, Tm3+三掺的Lu2O3纳米颗粒,系统的对比研究了材料的尺寸、结构对其发光性质的影响。取得的主要研究成果如下: (1)采用水热方法首次合成了calcite相和vaterite相的LuBO3:Eu3+微、纳米晶,系统的研究了前驱体的pH值对形貌和晶体结构形成的影响。与用传统的高温固calcite相法合成的体材料相比,相的水热样品由于缺少O-Lu激子吸收带而呈现出一个对称的,变窄的CTB;具有纳米结构的vaterite相的水热样品,如微花状的LuBO3:Eu3+样品的CTB发生红移并且在其长波侧出现一长激发尾,CTB的红移是由晶格常数的增加引起的,而长激发尾是源于位于低对称性格位的外部的Eu3+离子。当外部的Eu3+离子被选择激发时,5D0-7F2跃迁发射增强,显示出更好的色纯度。 (2)合成了具有不同形貌的立方相Lu2O3:Eu3+纳米棒、纳米片和纳米颗粒。纳米晶呈现出独特的发光性质:CTB的长波侧出现了一长激发尾,624 nm发射峰增强以及出现了一个新的7F0-5D0宽峰。随着样品尺寸的减小,即纳米棒纳米片纳米颗粒,所观察到的实验现象将更加明显。基于Lu2O3颗粒表面的Eu3+离子向其内部热扩散的实验,我们得出这些实验现象均源于Lu203纳米晶表面的Eu3+离子。通过光谱的分解,我们获得了Lu203纳米晶中表面Eu3+和内部Eu3+的激发谱,与体材料的激发谱相比,由于尺寸限域效应,内部Eu3+的CTB将呈现出明显的蓝移;而表面Eu3+的CTB,由于无序的表面环境,将展示出显著的红移,清楚地阐明了Eu3+离子掺杂的纳米晶中CTB移动和加宽的本质。 (3)合成了具有不同尺寸的Yb3+, Er3+共掺杂的Lu2O3纳米晶。系统的研究了纳米晶的尺寸对上转换发光性质的影响。随着样品尺寸的减小,观测到了逐渐加强的红、绿上转换发射强度比,并且在绿色上转换发射中出现了明显的三光子过程。基于稳态速率方程的分析,可得知上述现象是由于纳米晶中较大的4Ⅰ11/2→4Ⅰ13/2非辐射弛豫速率和较小的4F9/2→4Ⅰ9/2非辐射弛豫速率所引起的。 (4)合成了Yb3+, Er3+和Tm3+三掺的Lu2O3纳米颗粒。在980 nm单波长二极管激光器激发下,肉眼即可观察到明亮的白色上转换发光。我们系统的研究了上转换光谱对杂质浓度和泵浦能量的依赖性,并且获得了Lu203纳米颗粒中实现白光发射的最佳条件,即当泵浦能量为160 mW时,Lu1.906Yb0.08Er0.008Tm0.006O3纳米颗粒样品的色坐标是(0.327,0.339),非常接近于标准的白光照明(0.33,0.33),表明了其具有作为白光光源的潜在应用。此外也观测到了从Er3+离子到Tm3+离子的能量传递。


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