论文部分内容阅读
作为一类新型的光电功能材料，稀土离子掺杂的纳米结构氟氧化物玻璃陶瓷在光通讯、激光、固态三维显示和太阳能电池等领域具有广阔的应用前景。氟氧化物玻璃陶瓷的光学性能很大程度上取决于氟化物基质及其显微结构。为了开拓和发展具有优秀光学性能的新颖的氟氧化物玻璃陶瓷体系，本工作采用熔体急冷法及后续热处理分别制备了稀土掺杂的含CaF2和YF3纳米晶的透明氟氧化物玻璃陶瓷材料，并成功地将掺杂的稀土离子掺入到析出的氟化物纳米晶体中。通过热分析、X射线粉末衍射、高分辨电子显微镜、吸收光谱和荧光光谱等技术系统地研究了材料的晶化行为、显微结构和光谱性能。
对CaF2玻璃陶瓷体系，晶化动力学研究表明CaF2的晶化行为属于扩散控制型的生长：稀土离子的掺杂起到成核剂的作用，随着掺杂含量的增加，纳米晶尺度下降而密度增加。对Er3+和Nd3+掺杂的样品分别进行J-O理论计算和分析，得到了Er3+和Nd3+离子的主要跃迁带的光谱参量---自发发射几率，荧光分支比，激发态寿命，量子效率和受激发射截面等。随着热处理温度的升高，Judd-Ofelt强度参数Ω2单调下降，表明有更多的稀土离子进入低声子能量环境的CaF2晶体中；在光学性能上表现为：与前驱玻璃相比，玻璃陶瓷的发射强度和量子效率等都得到明显的提高。对Er3+/Yb3+共掺杂系统，随着Yb3+含量的增加，通过Yb3+-Er3+有效的能量传递，材料的可见上转换发射和1.53um红外发射的强度都增加；对0.5mol％ Er3+/2.0mol％ Yb3+共掺杂玻璃陶瓷，Yb3+→Er3+能量传递效率达到85％；通过速率方程，我们可以估算出Yb3+→Er3+能量传递系数是Er3+→Yb3+能量反传递系数3.5倍左右。
对YF3玻璃陶瓷体系，我们研究了两种前驱玻璃组分SiO2-Al2O3-LiF-YF3和SiO2-Al2O3-NaF-YF3的晶化行为。对于添加LiF组分的玻璃，只有在掺杂稀土离子时才会析晶，且其析出的晶相为纯的正交结构的氟化钇(β-YF3)；而对于添加NaF组分的玻璃，在掺杂或者不掺杂稀土离子时都会析晶，且在热处理温度较低时析出的晶相结构是六方的(α-YF3)，随着温度的提高，六方结构的氟化钇逐渐向正交结构转变，并最终转化成完全正交结构的氟化钇。通过显微结构与光谱表征表明稀土离子易于进入正交结构的氟化钇晶相中；在此基础上，通过各种稀土离子的掺杂和显微结构控制，我们得到一系列具有优异光学性能的玻璃陶瓷体系：(1)具有高受激发射截面的Nd3+掺杂的玻璃陶瓷；(2)可覆盖光通讯窗口的超宽带发射的Er3+/Tm3+共掺杂的玻璃陶瓷；(3)强的红外到紫外和可见区域多色频率上转换发光玻璃陶瓷；(4)高效上转换白光发射玻璃陶瓷。这些结果表明含正交结构氟化钇纳米晶的玻璃陶瓷作为一类易于制备且无毒的新型纳米复合材料在光电领域具有广泛的应用前景。