稀土離子(Eu3+、Sm3+、Er3+、Tm3+、Yb3+)摻雜發(fā)光材料的能量傳遞及溫度效應(yīng)研究.pdf

1、稀土摻雜發(fā)光材料在照明、顯示、激光、防偽、光纖通信和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用，成為多個(gè)交叉學(xué)科研究的熱點(diǎn)。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，新型照明材料和激光材料廣泛地應(yīng)用于各種載運(yùn)工具中。白光LED除可以用作日常照明外，還可以用在一些特殊的領(lǐng)域，如港口照明、交通信號(hào)燈、載運(yùn)工具照明（汽車、火車、船舶和飛機(jī)的箱內(nèi)照明），未來還可以用在海洋平臺(tái)照明以及軍事所需的特種照明。白光照明應(yīng)用于船舶、艦艇及飛行器等載運(yùn)工具中可大大節(jié)約照明能源消耗，提高這些航運(yùn)器

2、的續(xù)航能力。
　　能量傳遞是普遍存在于發(fā)光中心間的一種物理現(xiàn)象，它對(duì)發(fā)光材料性能的影響既有好的方面，也有壞的方面。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)利用能量傳遞調(diào)控稀土摻雜發(fā)光材料的光譜學(xué)性質(zhì)。此外，稀土離子所吸收的能量并不能全部用于發(fā)光，其中一部分能量會(huì)通過無輻射的形式轉(zhuǎn)換為基質(zhì)晶格的熱振動(dòng)，從而使材料的溫度升高，進(jìn)而影響材料的發(fā)光性質(zhì)。不僅如此，稀土發(fā)光材料光譜性質(zhì)的溫度效應(yīng)也是人們所關(guān)心的基本物理問題。本文圍繞著稀土摻雜發(fā)光材料的能量傳遞

3、及其溫度效應(yīng)，開展了一系列的研究工作，取得的結(jié)果如下:
　　(1)采用高溫固相法成功的合成了KLa(MoO4)2∶Eu3+紅色熒光粉。研究煅燒溫度、摻雜濃度對(duì)樣品的晶體結(jié)構(gòu)、發(fā)光性能的影響。通過對(duì)激發(fā)光譜分析得知，從基質(zhì)到發(fā)光中心Eu3+存在有效的能量傳遞。利用Van Uitert模型分析了樣品的濃度猝滅過程，結(jié)果表明5D0能級(jí)猝滅的機(jī)理為交換相互作用，5D1、5D2能級(jí)猝滅的機(jī)理為電偶極-電偶極相互作用。研究了摻雜不同濃度Eu3

4、+樣品的色度學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在Eu3+摻雜濃度為30％時(shí)，樣品的色坐標(biāo)為(0.650，0.333)。利用Arrhenius公式對(duì)樣品的溫度猝滅現(xiàn)象進(jìn)行了分析，證明Eu3+的5D0能級(jí)溫度猝滅的機(jī)理為crossover過程。利用樣品的發(fā)射光譜和熒光衰減曲線，計(jì)算Eu3+在KLa(MoO4)熒光粉中的Judd-Ofelt參數(shù)。
　　(2)采用高溫固相法成功的合成了KLa(MoO4)2∶Eu3+/Sm3+紅色熒光粉，并探討了Sm3+和Eu3

5、+間的能量傳遞行為。在低Sm3+摻雜濃度時(shí)采用277 nm及394 nm激發(fā)樣品，其發(fā)光強(qiáng)度幾乎不隨摻雜濃度變化，若利用404 nm激發(fā)樣品發(fā)光隨Sm3+濃度有明顯增強(qiáng);當(dāng)Sm3+摻雜濃度較高時(shí)，利用277 nm、394 nm及404 nm激發(fā)觀察到了Sm3+對(duì)Eu3+發(fā)光產(chǎn)生了猝滅作用。采用電多極及交換相互作用模型對(duì)Sm3+/Eu3+共摻KLa(MoO4)2紅色熒光粉的能量傳遞的物理機(jī)制進(jìn)行了分析，結(jié)果表明Sm3+到Eu3+能量傳遞為

6、交換相互作用。
　　(3)采用高溫熔融淬火法成功的合成了Sm3+摻雜硅酸鹽玻璃。通過吸收光譜，利用Judd-Offelt理論對(duì)Sm3+在該硅酸鹽玻璃中的光學(xué)躍遷性進(jìn)行了計(jì)算。利用VanUitert和Inokuti-Hirayama模型分析了Sm3+的濃度猝滅機(jī)理，發(fā)現(xiàn)Sm3+間作用為電偶極-電偶極相互作用，Sm3+濃度猝滅機(jī)理為Sm3+間的交叉弛豫導(dǎo)致的無輻射能量傳遞。對(duì)變溫?zé)晒夤庾V分析表明Sm3+的4G5/2能級(jí)溫度猝滅的機(jī)理為

7、crossover過程，溫度猝滅需要跨越勢(shì)壘所需要的激活能△E=0.40 eV。
　　(4)采用高溫熔融淬火法成功的合成了Eu3+單摻和Eu3+/Sm3+共摻硼酸鹽玻璃。通過測(cè)得的吸收光譜，計(jì)算了Eu3+在該硼酸鹽玻璃中的Judd-Ofelt參數(shù)。以Eu3+做探針研究了硼酸鹽玻璃的電-聲子相互作用，得到了硼酸鹽玻璃的聲子振動(dòng)的能量為1349.6 cm-1，黃昆因子為S=0.010。通過熒光光譜、發(fā)光動(dòng)力分析了Sm3+和Eu3+間的

8、能量傳遞行為，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Sm3+摻雜濃度較低時(shí)，Sm3+到Eu3+的能量傳遞會(huì)使Eu3+的5D0能級(jí)發(fā)光增強(qiáng);當(dāng)Sm3+摻雜濃度較高時(shí)，Eu3+到Sm3+的能量傳遞導(dǎo)致了Eu3+的5D0能級(jí)發(fā)光減弱。
　　(5)采用高溫固相法合成了不同濃度比的Yb3+/Er3+共摻雜的GdNbO4熒光粉。在980 nm激發(fā)下，探討了GdNbO4∶Er3+/Yb3+熒光粉上轉(zhuǎn)換發(fā)光與稀土離子濃度依賴關(guān)系，結(jié)果表明上轉(zhuǎn)換發(fā)光的最佳摻雜濃度Er3+為7 m

9、ol％，Yb3+為10 mol％。在980 nm激發(fā)下，研究了GdNbO4∶10％Yb3+，7％Er3+熒光粉的溫度效應(yīng)，結(jié)果表明樣品呈現(xiàn)出良好的光學(xué)溫度傳感特性。此外，建立了Er3+的兩個(gè)綠色發(fā)射能級(jí)的溫度猝滅模型，解釋了熒光強(qiáng)度對(duì)溫度的依賴關(guān)系。
　　(6)采用高溫熔融淬火法成功的合成了Tm3+/Yb3+共摻雜的氟氧化物碲酸鹽玻璃。通過測(cè)得的吸收光譜，利用Judd-Ofelt理論計(jì)算了Tm3+在該氟氧化物碲酸鹽玻璃中的光學(xué)躍遷