釔共摻雜的摻鉺氧化鋁光致發(fā)光增強(qiáng)機(jī)制研究.pdf

1、本文采用非水性溶膠-凝膠工藝制備Er3+-Y3+共摻雜Al2O3粉末，通過紅外光譜(FTIR)、X射線衍射(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)及能量分散譜(EDS)和熒光光譜等方法，系統(tǒng)地研究了Y3+共摻雜對摻Er3+:Al2O3粉末顆粒形貌和結(jié)構(gòu)，1400-1700nm近紅外Stokes發(fā)光和500-700nm綠、紅色反Stokes(上轉(zhuǎn)換)發(fā)光的影響作用規(guī)律，揭示了Y3+共摻雜對摻Er3+:Al2O3光致發(fā)光的增強(qiáng)機(jī)制。 以

2、異丙醇鋁[Al(OC3H7)3]為前驅(qū)體，硝酸鉺鹽[Er(NO3)3·5H2O]為摻雜介質(zhì)，在異丙醇[(CH3)2CHOH]環(huán)境下水解合成Er3+摻雜Al2O3溶膠。隨H2O與Al3+摩爾比由0:1增加到5:1，摻1mol％Er3+:Al2O3溶膠粘度由4.33mm2/s減小到4.16mm2/s，膠粒尺度由40nm減小到3nm。900℃燒結(jié)不同H2O與Al3+摩爾比的摻Er3+:Al2O3溶膠，所得粉末均為γ-(Al,Er)2O3和θ-

3、(Al,Er)2O3混合相結(jié)構(gòu)，粉末顆粒尺度均約為10nm。隨H2O與Al3+摩爾比增大，粉末中羥基(-OH)含量逐漸增加，而摻Er3+:Al2O3粉末在977.3nm激光泵浦下獲得的對應(yīng)于Er3+4I13/2→4I15/2躍遷過程的1530nm波長Stokes發(fā)光強(qiáng)度先增強(qiáng)后減弱，H2O與Al3+摩爾比為2:1時(shí)粉末發(fā)光強(qiáng)度最強(qiáng)。 以硝酸鉺鹽[Er(NO3)3·5H2O]為摻雜介質(zhì)，硝酸釔鹽[Y(NO3)3·5H2O]為共摻雜

4、介質(zhì)，制備H2O與Al3+摩爾比為2:1的0-20mol％Y3+共摻雜的摻0.001-2mol％Er3+:Al2O3溶膠。0-20mol％Y3+共摻雜的摻1mol％Er3+:Al2O3溶膠，粘度均約為4.18mm2/s，膠粒尺度因Y3+共摻雜增加，10mol％Y3+共摻雜時(shí)膠粒長大至約10nm。900℃和1000℃燒結(jié)0-20mol％Y3+共摻雜的摻Er3+:Al2O3粉末均為γ-(Al,Er,Y)2O3和θ-(Al,Er,Y)2O3混

5、合相結(jié)構(gòu)，1000℃燒結(jié)20mol％Y3+共摻雜的粉末有(Y,Er)3Al2(AlO4)，3化合物相析出；摻Er3+:Al2O3粉末γ和θ相非晶化程度隨Y3+共摻雜濃度增加而逐漸加劇。Y3+共摻雜對摻Er3+:Al2O3粉末中-OH含量無影響，粉末顆粒尺度因Y3+共摻雜而逐漸增大，10-20mol％Y3+共摻雜使得1000℃燒結(jié)的摻1mol％Er3+:Al2O3粉末顆粒由約10nm增大至約40nm。 977.3nm波長激光泵浦下

6、，γ-和θ-(Al,Er,Y)2O3混合相結(jié)構(gòu)的Er3+-Y3+共摻雜Al2O3粉末均得到了非均勻?qū)捇闹行牟ㄩL在1530nm的Stokes發(fā)光譜，(Y,Er)3Al2(AlO4)3化合物相析出時(shí)，光譜發(fā)生劈裂。0.001mol％超低Er3+摻雜濃度時(shí)，Y3+共摻雜對摻Er3+:Al2O3粉末發(fā)光強(qiáng)度沒有影響；隨Er3+濃度增大至0.01-2mol％，Y3+共摻雜的摻Er3+:Al2O3粉末1530nm波長發(fā)光強(qiáng)度隨Y3+共摻雜濃度增加

7、而增強(qiáng)。20mol％Y3+共摻雜使得900℃和1000℃燒結(jié)的摻1mol％Er3+:Al2O3粉末發(fā)光強(qiáng)度分別提高了30倍和40倍。Y3+共摻雜抑制了Er3+濃度猝滅效應(yīng)，20mol％Y3+共摻雜使摻Er3+:Al2O3粉末1530nm熒光猝滅濃度由0.1mol％提高至1mol％。 Er3+-Y3+共摻雜Al2O3粉末Er3+的1530nm波長熒光壽命隨Y3+共摻雜濃度增加而逐漸增大，20mol％Y3+共摻雜使900℃燒結(jié)的摻0

8、.1mol％和1mol％Er3+:Al2O3熒光壽命分別由3.5ms和3.3ms提高至5.8ms和4.1ms；Er3+輻射壽命和泵浦吸收截面不因Y3+共摻雜而改變；Er3+光活度系數(shù)隨Y3+共摻雜濃度增加而增大，900℃燒結(jié)的摻0.1mol％和1mol％Er3+:Al2O3粉末的Er3+光活度系數(shù)因20mol％Y3+共摻雜分別提高了10倍和20倍。Y3+共摻雜通過提高。Er3+光活度系數(shù)和Er3+熒光壽命實(shí)現(xiàn)了對摻Er3+:Al2O3粉

9、末1530nm波長Stokes發(fā)光的增強(qiáng)作用，且Er3+光活度系數(shù)的提高具有主要作用。Y3+共摻雜破壞了摻Er3+:Al2O3粉末中Er3+的微觀團(tuán)簇，激活了處于團(tuán)簇狀態(tài)的非光活性Er3+，因此提高了摻Er3+:Al2O3粉末中Er3+的光活度系數(shù)；Y3+共摻雜對Er3+熒光壽命的增強(qiáng)作用，歸因于抑制Er3+-Er3+能量傳遞速率和-OH猝滅速率，從而減小了Er3+無輻射躍遷速率。 Er3+-Y3+共摻雜Al2O3粉末在977.

10、3nm激光泵浦下發(fā)生535、553nm綠色和670nm紅色上轉(zhuǎn)換發(fā)光。(Y,Er)3Al2(AlO4)3化合物相析出時(shí)，綠、紅色上轉(zhuǎn)換發(fā)光譜產(chǎn)生劈裂。Er3+-Y3+共摻雜和Er3+摻雜Al2O3上轉(zhuǎn)換發(fā)光均為雙光子上轉(zhuǎn)換吸收過程，綠色上轉(zhuǎn)換主要為激發(fā)態(tài)吸收4I11/2+aphoton→4F7/2和交叉弛豫4I11/2+4I11/2→4I15/2+4F7/2過程，紅色上轉(zhuǎn)換主要為4I13/2+aphoton→4F9/2和4I11/2+4

11、I13/2→4F9/2+4I15/2過程。Y3+共摻雜使得光活性Er3+數(shù)量增加的同時(shí)又抑制了Er3+交叉弛豫過程，因此隨Y3+共摻雜濃度增加Er3+上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，10mol％Y3+共摻雜時(shí)粉末發(fā)光強(qiáng)度最強(qiáng)。10mol％Y3+共摻雜使900℃和1000℃燒結(jié)的摻1mol％Er3+:Al2O3綠色上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度分別增強(qiáng)了約30倍和100倍，使紅色上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度分別增強(qiáng)了約2倍和10倍。Y3+共摻雜對Er3+上轉(zhuǎn)