Cr3+摻雜β-NaYF4-Yb-Er上轉(zhuǎn)換薄膜的制備及其摩擦學(xué)性能研究-.pdf

1、β-NaYF4:Yb/Er晶體具有聲子能量低、帶隙寬、電子云擴(kuò)張效應(yīng)小等特點(diǎn)，受到研究者的廣泛關(guān)注。與β-NaYF4:Yb/Er粉末材料相比，β-NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換薄膜具有均勻性好、耐高溫、導(dǎo)熱性?xún)?yōu)良等特點(diǎn)，在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域極具潛在的應(yīng)用價(jià)值。
　　但是，將β-NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換薄膜應(yīng)用于太陽(yáng)能電池，需解決兩大關(guān)鍵問(wèn)題：
　　(1)β-NaYF4:Yb/Er晶體的熒光強(qiáng)度較低，成為其攻克太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換

2、效率低的難題的瓶頸問(wèn)題，迫切需要增強(qiáng)β-NaYF4:Yb/Er晶體的熒光強(qiáng)度；
　　(2)現(xiàn)有方法制備的β-NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換薄膜與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度弱，使用過(guò)程中易脫落失效，降低上轉(zhuǎn)換薄膜的使用壽命，亟待提高β-NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換薄膜與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度。
　　本論文采用Cr3+摻雜增強(qiáng)β-NaYF4:Yb/Er晶體的上轉(zhuǎn)換熒光強(qiáng)度，探究Cr3+摻雜對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)以及發(fā)光離子能級(jí)壽命的影響規(guī)律；采用自組裝

3、技術(shù)在硅基體表面制備β-NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換薄膜，提高薄膜與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度，取得了原創(chuàng)性的研究成果。
　　1.采用水熱法合成β-NaYF4:Yb/Er晶體，研究合成反應(yīng)過(guò)程中溫度、時(shí)間、氟化鈉含量等對(duì)晶體結(jié)構(gòu)和形貌的影響規(guī)律，確定了水熱法合成β-NaYF4:Yb/Er晶體的最佳工藝方法。研究晶體在不同生長(zhǎng)階段的結(jié)構(gòu)和形貌特征，揭示了β-NaYF4:Yb/Er晶體的生長(zhǎng)機(jī)理。通過(guò)提高溶液pH值及硝酸鈉（NaNO3）濃度控

4、制β-NaYF4:Yb/Er晶體的尺寸，增強(qiáng)其紅色熒光強(qiáng)度，使其發(fā)光顏色由綠色向橙黃色轉(zhuǎn)變。
　　2.通過(guò)摻雜Cr3+有效增強(qiáng)了β-NaYF4:Yb/Er晶體的熒光強(qiáng)度。摻雜Cr3+能夠改變?chǔ)?NaYF4:Yb/Er晶體的晶格場(chǎng)內(nèi)部環(huán)境，破壞其晶格的對(duì)稱(chēng)性，使原本不發(fā)光的Er3+和Yb3+變?yōu)榘l(fā)光離子，同時(shí)能夠提高晶體中Er3+的中間態(tài)能級(jí)的熒光壽命，從而增強(qiáng)晶體的熒光強(qiáng)度。研究了Cr3+濃度對(duì)晶體上轉(zhuǎn)換熒光性能的影響規(guī)律，確定了

5、增強(qiáng)β-NaYF4:Yb/Er晶體熒光強(qiáng)度的Cr3+最佳摻雜濃度。
　　3.采用自組裝技術(shù)在硅基表面成功制備了β-NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換薄膜，運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線光電子能譜儀（XPS）、傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀（FTIR）等分析手段，表征薄膜的表面形貌及表面元素的化學(xué)狀態(tài)，探討上轉(zhuǎn)換復(fù)合薄膜與基體界面的作用機(jī)制，闡明了薄膜的成膜機(jī)理。
　　4.采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了β-NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換薄膜的宏

6、觀摩擦學(xué)性能，探討了薄膜組裝時(shí)間、摩擦速度和載荷等對(duì)薄膜摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律。采用自組裝技術(shù)制備的上轉(zhuǎn)換薄膜與硅基體間為化學(xué)鍵結(jié)合，界面結(jié)合強(qiáng)度高，相同摩擦試驗(yàn)條件下的磨損壽命為物理沉積法制備的薄膜的5倍。
　　本論文解決了β-NaYF4:Yb/Er晶體上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率低及其薄膜與基體界面結(jié)合強(qiáng)度弱的難題，為上轉(zhuǎn)換材料的熒光增強(qiáng)提供了一條新途徑，發(fā)展了上轉(zhuǎn)換薄膜制備技術(shù)；為上轉(zhuǎn)換薄膜在太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)及技術(shù)支撐。