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基于3CaO-2SiO_2-CaF_2玻璃的农用转光材料研究

张宁  
【摘要】:随着对农业产业化需求的提高以及现代农业科学技术的不断发展,设施农业成为了现代农业产业的重要组成部分,作为各国农业发展的研究重点到了迅速的发展和推广。建造能够调节光环境的玻璃温室来控制植物的生命活动是现代植物栽培领域的一项重要技术。传统的农用转光材料,如转光膜、LED植物生长灯,所使用的硅胶和有机树脂,在长时间使用中会因为工作环境和工作温度,使导热率低和热稳定较差的有机树脂和硅胶黄化和老化速率明显加快,最终导致转光材料发光色坐标飘移,实际使用寿命缩短等问题。因此,研制能够稳定且有效调控太阳光光照波长的转光玻璃,是一项非常有意义的工作。本文通过传统熔融法制备一种新型3Ca O-2Si O_2-Ca F_2玻璃,制备并研究稀土离子和过渡金属离子掺杂的3Ca O-2Si O_2-Ca F_2玻璃发光性能,来讨论不同浓度掺杂发光离子的光学性能变化,并通过制备和研究稀土离子和过渡金属离子共掺杂的3Ca O-2Si O_2-Ca F_2玻璃来研究离子间的能量传递。采用热处理方法制备出3Ca O-2Si O_2-Ca F_2微晶玻璃,研究热处理对不同掺杂发光离子发光吸能的影响。结合植物光合作用的光需求,主要研究工作如下:(1)成功制备出Eu~(3+)掺杂3Ca O-2Si O_2-Ca F_2玻璃,玻璃样品未出现析晶表明玻璃的掺杂溶解度高,样品中的Eu~(3+)能够被355-420nm区间的紫外光、蓝光激发,并发射较强的红光,于570-640nm区间构成了较宽的发射带。由于Eu~(3+)的f→f跃迁特性,掺杂浓度对发光性能的影响较小。(2)成功制备出Ce~(3+)和Eu~(2+)掺杂3Ca O-2Si O_2-Ca F_2玻璃。其中,Ce~(3+)掺杂玻璃样品能够被230-400nm区间的紫外光和近紫外光有效激发,并于350-550nm区间构成了宽的蓝光发射带。Eu~(2+)掺杂玻璃样品能够被280-500nm范围的蓝光、紫外光和近紫外光有效激发,并于450-750nm区间构成了宽的黄绿光发射带。Ce~(3+)和Eu~(2+)的发射带均出现了随掺杂浓度增加的红移趋势,表明可以通过调节掺杂掺杂浓度制备出具有发射光可调谐的转光玻璃材料。(3)成功制备出Mn~(4+)和Mn~(2+)掺杂3Ca O-2Si O_2-Ca F_2玻璃。Mn~(4+)和Mn~(2+)均可以被330-600nm区间的近紫外光和蓝光有效激发,并于500-850nm区间构成了宽的发射带,Mn~(2+)掺杂玻璃样品的发光强度较高。Mn~(2+)掺杂玻璃样品同样具有随掺杂浓度增加的红移趋势。(4)成功制备出配比Eu~(2+)/Mn~(2+)和Ce~(3+)/Mn~(2+)共掺杂3Ca O-2Si O_2-Ca F_2玻璃。在受到350nm光激发时,Ce~(3+)与Mn~(2+)间的能量传递效率随Mn~(2+)掺杂浓度增加呈上升趋势,整体发射光谱出现较宽的蓝光和红光发射峰。在受到400nm光激发时,Eu~(2+)与Mn~(299+)间的能量传递效率同样呈上升趋势,整体发射光谱呈加宽趋势,当掺杂1.0mol%的Mn~(2+)时,整体发射光谱的半高宽FWHM达到267nm并在黄光和红光都有较强的发射。(5)通过热处理方法,制备出不同种类离子掺杂微晶玻璃样品,所有玻璃样品均有较好的透明度。所有微晶玻璃样品均析出了Ca F_2微晶,均出现了发光离子向Ca F_2微晶富集的现象。Ce~(3+)和Eu~(2+)掺杂的玻璃在制备微晶玻璃后,激发和发射光谱呈明显的蓝移趋势。表明由于稀土离子有效进入Ca F_2微晶中,且Ca F_2晶体场更强且声子能量较低,减小了稀土离子的非辐射损耗和多声子弛豫,使得稀土离子具有更高的发光强度和激发态寿命。Mn~(4+)和Mn~(2+)掺杂玻璃在热处理后,激发和发射光谱并未出现明显变化。表明虽然过渡金属离子能够有效进入了Ca F_2晶格位置,但由于少量晶格的形成未能整体改变过渡金属离子的基质环境,离子的发光和激发态寿命的改变不明显。


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