玻璃温室用稀土、过渡金属离子掺杂氟氧化物微晶玻璃的研究

摘要

在当今世界，日益增长的能源需求已逐渐“全球化”。人们都在寻找能够替代化石燃料的新型能源。太阳能作为新兴的可再生能源，取之不尽用之不竭，既不耗材又具有环境友好性。我们是农业大国，提高农作物的单位产量是当务之急。近几年国家大力倡导的光伏农业，就是将太阳能的相关技术广泛应用于现代农业种植之中。
　　当前，温室用的采光材料不具备收集特定波长光的能力。对于绿色植物，叶绿素主要吸收的光谱区有两个，一个是波长640～680 nm的红光部分，另一个是波长430～500 nm的蓝光部分。至于紫外线植物吸收的比较少，过强反而会损伤植物细胞。我们希望通过光谱转光，将更多地太阳光转至光合作用最需要的红光部分，使光合作用效率更高，提高农作物的产量。
　　目前农用转光材料主要以转光膜为主，但薄膜材料自身的透光性差以及污染严重等问题阻碍了转光膜的进一步应用。相比之下玻璃材料具有优良的热稳定性及化学性能，而且能够更好的适应变化的外界环境，使用寿命也更长。微晶玻璃是在制备成功基质玻璃的基础上进行一步二次热处理过程，析出特定的纳米颗粒。氟氧化物微晶玻璃兼具有氧化物微晶玻璃和氟化物微晶玻璃的优点，析出的氟化物晶粒尺寸小，使微晶玻璃既保持了高度的透明，又具备了特殊的光学性能。
　　本论文主要研究了玻璃温室用稀土离子以及过渡金属元素掺杂的氟氧化物玻璃及微晶玻璃材料的制备和发光性能，探讨了一些离子匹配的可行性分析，并对其中的光谱转换机理做了分析：
　　1.氟氧化物玻璃陶瓷的制备。微晶玻璃的制备是建立在基础玻璃制备的基础之上，进行一定条件的二次热处理完成的。通过参考对比，我们选择了硅酸盐的氟氧化物玻璃作为发光的基质材料，并成功制备出了在机械性能、微观结构和光学性能方面都符合要求的微晶玻璃。
　　2. Ce3+，Er3+，Yb3+三掺氟氧玻璃陶瓷的制备。在基质为50SiO2-20Al2O3-20CaF2-10NaF的氟氧玻璃陶瓷中掺杂 Ce3+，Er3+，Yb3+离子，通过 Ce3+，Er3+之间的下转换和Er3+, Yb3+之间的上转换，将吸收的紫外光和吸收的近红外光都转到 Er3+的主发射668 nm的红橙光。Ce3+自身的发光属于宽带发光，在400-500 nm范围内的蓝光也可被叶绿素吸收用于光合作用。
　　3. Ce3+，Mn2+，Yb3+三掺氟氧化物玻璃陶瓷的制备。在基质为50SiO2-20Al2O3-20CaF2-10NaF的氟氧化物硅酸盐玻璃中，我们掺入 Ce3+，Mn2+，Yb3+离子。Mn2+的发光属于宽带发光。Ce3+，Mn2+之间的能量传递也要比Ce3+，Er3+之间的能量传递更显著。因此这种材料更具有应用前景。
　　总之，通过稀土离子和过渡金属离子掺杂，实现上下转换发光。将光合作用不能利用的紫外和近红外光转到可见范围内，将有助于光合作用效率的提高。我们制备的无机掺杂材料将有助于提高光合作用利用光能的效率，具有广泛的应用前景。

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第一章绪论

1.1农用转光材料的研究背景

1.2光谱转换

1.3转光玻璃

1.4微晶玻璃

1.5本文的主要思路和论文主要内容

参考文献

第二章实验和理论基础

2.1实验试剂与仪器

2.2 SiO2-Al2O3-CaF2-NaF氟氧化物玻璃的制备

2.3理论基础

参考文献

第三章氟氧化物微晶玻璃的制备与表征方法

3.1组分的设计和配方的选择

3.2氟氧化物微晶玻璃的制备

3.3样品性能表征

第四章Ce3+-Er3+-Yb3+三掺氟氧化物微晶玻璃的制备和研究

4.1离子选择标准和配比的确定

4.2 Ce3+-Er3+-Yb3+三掺氟氧化物微晶玻璃的光学特性

4.3本章小结

参考文献

第五章玻璃温室用Ce3+-Mn2+-Yb3+三掺的氟氧化物玻璃的制备和研究

5.1样品制备

5.2 Mn2+-Yb3+共掺氟氧化物磷酸盐玻璃和硅酸盐玻璃的荧光性能比较

5.3 Ce3+-Mn2+-Yb3+三掺氟氧化物玻璃的光学特性

5.4本章小结

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文