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稀土离子在YAG基质透明陶瓷中的偏聚现象和Yb~(3+)掺杂YAG基质纳米粉体及纳米透明陶瓷的发光性能研究

赵伟  
【摘要】: 本论文包括五章。第一章绪论部分简要的介绍了本论文研究领域的基础知识和论文中涉及的相关内容背景知识。第二章到第五章是关于稀土离子掺杂的透明陶瓷材料研究内容。其中包括透明陶瓷材料的研究背景和进展,稀土离子掺杂的YAG基质透明陶瓷材料中掺杂离子偏聚现象的表征和分析,以及Yb3+掺杂的YAG基质纳米晶粉体和纳米透明陶瓷的发光性能研究。 绪论部分首先介绍了稀土离子的电子层构型和稀土发光的原理。简要概述了稀土发光材料的分类和应用前景。对本论文将要使用的激光扫描共聚焦显微镜进行了简单的介绍,说明了其结构和工作原理。介绍了晶体生长领域的分凝系数概念和BPS模型对有效分凝系数和平衡粉凝系数的讨论。 在论文的主体部分首先介绍了透明陶瓷的研究背景:陶瓷透明度的分析;透明陶瓷的制备过程;激光透明陶瓷和闪烁体透明陶瓷的研究进展;和本论文主要的研究对象及重要的透明陶瓷基质钇铝石榴石Y3A5012-YAG的介绍。然后是本论文的主要工作介绍,包扩下面几个部分: 1.在第三章中通过使用激光共聚焦显微镜和透射电子显微镜EDX能谱对Ce3+离子掺杂的两种石榴石结构基质Y3Al5012和(YGd)3Al5O12中掺杂离子Ce3+浓度分布的表征和分析,实验上证明了Ce3+在YAG结构透明陶瓷内部浓度分布不均匀,晶界上浓度高于晶粒内部,存在明显的偏聚现象。 根据多晶陶瓷材料生长的独立单晶颗粒近似过程,使用单晶材料生长过程的分凝系数模型对偏聚现象进行了解释。根据BPS模型理论,当掺杂离子的分凝系数小于1时,在生长过程的固液边界上会出现杂质的富集区。可以认为这种杂质富集区是多晶陶瓷中的晶界偏聚现象的来源。 比对Ce3+,Nd3+,Yb3+离子在偏聚现象行为上的不同表现,根据文献中不同稀土离子掺杂的石榴石结构单晶材料分凝系数的变化规律,发现与掺杂离子的离子半径关系较大,离子半径过大或过小都难以进入基质晶格成键。通过比对不同石榴石材料的晶胞参数,推测出了较合理的稀土离子在YAG基质中掺杂时的分凝系数曲线。 2.在第四章中使用Pechini方法制备得到了平均粒径在20-40nm的Yb:YAG纳米晶粉体。研究了不同热处理温度下粉体的形貌和粒径分布。 测量了不同掺杂浓度的Yb:YAG粉体材料在室温和低温12k下的发光光谱和寿命。将发射光谱、吸收光谱和Raman光谱在一起进行比较后,排除了振动峰的干扰确定了Yb3+离子Stark能级的位置。 将发光寿命和掺杂浓度依赖关系曲线与Yb:YAG单晶的寿命浓度依赖关系曲线进行了比对,发现随着掺杂浓度的升高,在纳米晶粉体材料中没有观察到寿命上升的过程,这可能是因为晶粒尺寸的限制导致共振能量传递的自陷效应的减弱。 测量了纳米晶粉体材料红外激发下可见光区的上转换发光谱,观察到了505nm附近Yb3+离子对发光谱线和Tm3+和Er3+等杂质离子的上转换发光,分析了上转换发光的能量传递过程。 3.在第五章使用低温高压合成方法由第4章制备的纳米晶粉体合成了一定透明度的纳米透明陶瓷。样品的形貌和XRD图谱分析表明,合成的样品晶粒在纳米尺度,平均粒径30nm左右,且在高压下透明度也较好。 对不同掺杂浓度和不同热处理压强的样品初步分析了光谱性能,在发射光谱中观察到掺杂浓度在20%时出现浓度猝灭,在高压下的发射谱中观察到了一定的谱峰红移。纳米透明陶瓷材料的发光寿命相比与纳米晶粉体材料更短,其发光寿命随着压强的增大而显著变短,可以用Meltzer的公式初步解释。 测量了不同热处理压强的样品的上转换发光光谱,谱线在高压下有一定的谱峰展宽效应。 大量晶界的出现使Yb3+离子对上转换发光和杂质上转换发光等现象增强,导致了发光光谱与纳米晶粉体相比出现了明显的浓度猝灭,发光寿命相比纳米粉体也明显变短。


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