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稀土离子掺杂的透明陶瓷LuAG:Pr~(3+)和上转换发光材料Y_2O_3:Tm~(3+)/Yb~(3+)的制备及光谱研究

赵江波  
【摘要】: 本论文的主体分为两个部分,第一部分是关于稀土离子掺杂镥铝石榴石纳米粉末和透明陶瓷材料的制备及发光性质研究;另一部分是掺Li~+离子对Y_2O_3:5%Yb~(3+)/0.5%Tm~(3+)纳米粉末上转换发光的增强效应。 1. LuAG:Pr~(3+)纳米粉末和透明陶瓷的制备及发光性质研究 利用共沉淀方法制备了粒度均匀、分散性较好的LuAG:Pr~(3+)纳米粉末。经XRD分析表明,LuAG的成相温度为900℃,1000℃退火处理的粉末颗粒约为25nm,与TEM的观测结果相符合。 选取1000℃退火处理的粉体,采用低温真空和高温氮气气氛相结合的两步烧结法制备透明陶瓷材料;对未抛光的透明陶瓷样品的SEM表征,发现陶瓷是由许多不规则形状的晶粒组成,表面不平坦,晶界结构清晰可见,晶粒与晶粒之间没有气孔存在。 以同步辐射VUV光为激发光源,对LuAG:Pr~(3+)纳米粉末和透明陶瓷进行了光谱分析。其中,基质激发带和f-d跃迁带在粉末和陶瓷的激发谱中均存在,由LuAl“反格位”缺陷引起的激发带仅在陶瓷样品中存在,此缺陷是在陶瓷制备过程中生成的。此外,未经抛光的陶瓷样品表面存在污染或大量的缺陷,因此能量在基质与Pr~(3+)离子的传递过程中容易猝灭,使能量传递效率降低。因而,陶瓷材料的基质激发带强度小于LuAG:Pr~(3+)纳米粉末的。本文首次报道了LuAG:Pr~(3+)纳米粉末和透明陶瓷材料中Pr~(3+)的5d-4f发射的猝灭浓度,分别是3%和1%,大于单晶的猝灭浓度0.24%。 2.掺杂Li~+离子对Y_2O_3:5%Yb~(3+)/0.5%Tm~(3+)纳米粉末上转换发光的增强效应 用溶胶-凝胶法制备了掺杂不同Li~+离子浓度的Y_2O_3:5%Yb~(3+)/0.5%Tm~(3+)纳米颗粒。XRD结果表明样品均为立方Y_2O_3结构,对于Y_2O_3:5%Yb~(3+)/0.5%Tm~(3+)和Y_2O_3:5%Yb~(3+)/0.5%Tm~(3+)/3%Li~+纳米粉末,它们的粒径分别为25和36 nm;同时,掺杂Li~+离子样品的衍射峰222向小角度方向移动,表明Li~+的添加使晶格常数增加。 在980 nm激光激发下,测量了不同Li~+掺杂浓度纳米粉末的上转换发光,主要研究了蓝色区域(488 nm)的发光性质。发现Li~+的掺入引起上转换发光显著增强,当掺入Li~+离子3%时,发光达到最大值,488 nm的峰值是Y_2O_3:5%Yb~(3+)/0.5%Tm~(3+)纳米粉末的15倍之多。 因为Tm~(3+)是通过Yb~(3+)的非共振能量传递被逐步激发的,此过程是声子协助的能量传递过程。通过研究不同温度下发光强度的变化,得到了掺杂Li~+离子使上转换发光增强的主要原因,即引入了能量适当、频率相符的声子可以促进上转换发光,晶场对称性的改变只是部分原因。声子的参与直接影响Yb-Tm间能量传递几率,这一结论得到了变温实验、红外光谱、拉曼光谱以及多声子协助能量传递概率方程的支持。


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