论文部分内容阅读
镧系离子掺杂的无机材料化学稳定性好,耐高温,强酸强碱等极端环境,毒性较低,并且抗光漂白性强。由于4f壳层存在大量的未成对电子,镧系离子可以发射从紫外到中红外的荧光,谱线尖锐且寿命较长。因此,稀土材料被认为是一种极具前景的荧光材料,可用于激光,显示,探测器,太阳能电池,电子荧光器件和生物领域。本文中,我们针对当前研究的热点以及实际应用中存在的一些问题,进行了大量的探索性研究,主要分为四方面的内容:1)制备高要求、特殊性能的稀土功能荧光材料的新方法随着现代科学技术和制作加工工艺的快速发展,对于材料性能的要求不断提高。对于纳米材料而言,制备具有良好的表面形貌、尺寸均一、形状一致、并且具有特定空间结构(如核壳结构)的材料是当前研究的热点。对于一些用于高科技产业的单晶,传统的制备方法不能满足材料的性能要求,甚至无法合成这些材料。本文中,采用了一种高效便捷的水热法合成了大量具有特定形貌和结构的微/纳米晶体,另外,还借助光学浮区法成功地生长了一系列单晶。此外,我们研究了材料的生长过程,并总结了部分经验,为将来进一步生长高质量晶体提供了指导。2)镧系离子光致发光性能的基础研究本文利用高温固相法、水热法和光学浮区法制备了一系列单掺杂Eu3+、Er3+的钒酸盐(YVO4)和磷酸盐(YPO4)的块状材料、微纳米晶和单晶样品。考虑到各自的生长过程极其复杂,因此,将已知的基础理论应用于实验中出现的不同现象的解释显得十分重要,这不仅能够指导材料的可控合成,而且可以促进其实际应用。通过对不同样品光谱的分析,发现颗粒尺寸、表面缺陷,基底,激发波长,掺杂浓度等都会对光谱中谱线的位置、数目、宽度和强度产生影响。由于缺陷的减少,微纳米YVO4:Er3+样品在554 nm处(绿光4S3/2→4I15/2)的荧光强度得以提高;单晶YVO4:Er3+中,甚至出现了位于1550 nm处较强的近红外发光;随着晶体结构的改变,单掺杂Eu3+样品中电偶极跃迁5D0→7F2,4则展现出不同的变化。3)通过共掺杂构建不同的稀土离子对来提高荧光强度镧系离子的f-f跃迁属于宇称禁戒跃迁,吸收截面小,跃迁概率低,严重限制了高效的荧光发射。Ce3+和Bi3+离子不仅可以扩宽吸收截面,还能够通过合作能量传递来提高镧系离子的发光强度,因此,是很好的敏化离子。本文中,由于Bi3+/Ce3+→Eu3+高效的能量传递,提高了Eu3+离子的荧光效率,说明Ce3+离子和Bi3+离子可以很好地作为Eu3+离子的敏化剂。研究发现,Bi3+→Sm3+,Ce3+→Er3+以及Ce3+/Eu3+→Yb3+的能量传递也可以高效进行。对于Bi3+-Dy3+/Er3+体系,存在由Dy3+/Er3+到Bi3+的能量回传以及Bi3+的本征发光,因此,敏化效率并不高。在Ho3+-Yb3+体系中,调整激发波长可获得上/下转换发光,发射光谱中红/绿荧光的相对强度也出现变化。通过上/下转化,共掺杂离子对展现高效的光谱调控能力,可用于太阳能电池、照明和显示领域。4)强磁场作用下稀土离子Eu3+和Er3+的荧光性能目前,关于磁场对稀土离子光谱的影响主要集中于能级的劈裂以及谱线的位移,然而,有关磁场对发射强度影响的研究却鲜有报道。论文通过对YVO4:Er3+和Y/Gd VO4:Eu3+等单晶的研究,发现了随着磁场的增大(至50 T),Er3+的绿光(554 nm)发射强度呈现降低的趋势,这是由于Er3+出现一定的偏离中心格位的位移,激发态4S3/2分裂成两个Kramers双重态,磁场作用下|±3/2>双重态的跃迁几率减小,导致了荧光强度的衰减。在YVO4:Eu3+单晶中,随着磁场增加,电偶极跃迁5D0→7F2,4的荧光强度也降低了,而在Gd VO4:Eu3+单晶中则不断升高,推测可能是由于强磁场导致了晶体结构的变化,改变了Eu3+离子周围环境的对称性,导致了电偶极跃迁强度的差异。