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稀土掺杂Bi_3TiNbO_9铁电氧化物的光学性质研究

陈恒智  
【摘要】:层状铁电氧化物Bi_3TiNbO_9因具有很高的居里温度、高的机械品质因数和大的电阻率等优点得到了人们的广泛研究,同时这种材料具有较大的禁带宽度、较低的声子能量和很好的物理化学稳定性,是一种很好的稀土发光基质材料。然而,在其光学性质方面尚有一些不清楚的问题,如极化对稀土掺杂铁电材料荧光发射性质有何影响,室温以下的荧光温度效应如何,怎样增强其薄膜材料的荧光发射强度,以及稀土离子掺杂对其薄膜材料光学吸收性质有何影响等,因此这类铁电材料的光学性质引起了科学家们的广泛关注。本论文以稀土掺杂的铁电氧化物为研究对象,围绕着荧光发射性质、荧光温度效应、光学波导性质、线性和非线性光学吸收性质方面开展了系统的研究。 本论文首先开展了极化对稀土掺杂铁电氧化物陶瓷荧光发射性质影响的研究。研究发现,随着极化电场强度的增大,Bi_3TiNbO_9: Er~(3+), Yb~(3+)和Bi_3TiNbO_9:Tm~(3+), Yb~(3+)铁电陶瓷的压电性质和上转换荧光发射强度都增强。这是由于极化使得材料产生内电场,使得稀土离子周围场作用增强,使其跃迁几率增加,发光增强。进一步结合JO理论分析不同极化状态下Ba(Ti_(0.8)Zr_(0.2))O_3~-(Ba_(0.7)Ca_(0.3))TiO_3: Eu~(3+)陶瓷的荧光光谱,发现随着极化电场强度增大,其压电应变常数和JO理论强度参数?2值都增大。这是因为较大的极化电场有利于铁电材料中的自发极化趋向于与电场平行的方向,从而使得压电性能增强,同时使得Eu~(3+)离子周围环境的局域对称性降低,?2值增大。 接着开展了Bi_3TiNbO_9: Er~(3+), Yb~(3+)陶瓷中Er~(3+)离子的2H11/2和4S3/2两个热耦合能级的荧光强度比随温度变化关系的研究。实验结果表明, Bi_3TiNbO_9: Er~(3+),Yb~(3+)陶瓷材料在123~693K温度范围内的最大温度传感灵敏度为0.0032 K-1,而且其具有较好物理化学稳定性,所以Bi_3TiNbO_9: Er~(3+), Yb~(3+)陶瓷可以作为荧光温度传感材料。 为了了解激光脉冲沉积法制备薄膜的过程中激光脉冲能量密度和衬底温度对薄膜上转换发光性质的影响,开展了Bi_3TiNbO_9: Er~(3+), Yb~(3+)薄膜的上转换荧光性质的研究,实验结果表明,通过增加薄膜生长的激光能量密度和衬底温度,能够提高薄膜的结晶状态,增大晶粒的尺寸,可以实现荧光发射强度的增强。首先,材料的结晶状态越好,稀土离子周围的晶体场作用越强,使得跃迁几率增加,荧光发射增强;其次,薄膜晶粒越大,比表面积越小,其表面缺陷和表面附着的污染猝灭基团的数量随之减少,使得上转换荧光增强;再次,晶粒越大,晶界越少,晶界对光的散射作用减小,也会导致上转换荧光增强。 为了进一步了解Bi_3TiNbO_9薄膜材料的光学性质,开展了Bi_3TiNbO_9: La~(3+)材料的光学波导性质以及线性和非线性光学吸收性质研究。用棱镜耦合法测量了Bi_(2.85)La_(0.15)TiNbO_9和Bi_(2.25)La_(0.75)TiNbO_9薄膜的本征折射率和厚度,并且用反WKB法对薄膜的有效折射率进行了重建,实验结果表明,有效折射率在薄膜的范围内变化很小,在薄膜衬底界面处迅速减小,这说明薄膜具有很好的均匀性,薄膜与衬底间界面层的厚度可以忽略,石英衬底对Bi_3TiNbO_9: La~(3+)薄膜的生长没有产生明显的影响。通过光学透射谱利用包络法分析了材料的线性光学性质,包括薄膜的禁带宽度、线性折射率、线性吸收系数、消光系数等。使用飞秒开孔Z扫描的方法研究了该薄膜的三阶非线性吸收性质,实验结果显示,当La~(3+)离子掺杂量x≤0.75时,La~(3+)离子只占据类钙钛矿层中的A位,非线性吸收系数β的值随着La~(3+)离子掺杂的量增大而增大;当x = 1.05时,(Bi_2O_2)2+层的有序性被严重破坏,导致非线性吸收系数减小。研究结果表明,可以通过改变La~(3+)离子掺杂量来调控Bi_3TiNbO_9: La~(3+)薄膜的非线性吸收系数。 本论文研究了极化对稀土掺杂铁电材料的压电性质和荧光发射性质的影响,进而提供了一种非接触式的研究压电性质的途径。并且系统地研究了稀土掺杂Bi_3TiNbO_9材料的光学性质,为了解该薄膜材料的光学性质及其应用提供了重要参考。


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