稀土上转换纳米晶中的红外激光诱导热效应及传感特性研究

摘要

稀土离子掺杂材料的上转换荧光现象由于能够将近红外波段转化为可见波段，在信息处理、全固态激光器、三维显示、光纤通讯、温度传感及生物医疗等领域具有重要的应用价值。但是当前稀土离子的上转换效率仍然较低，成为制约其发展的主要瓶颈。
　　提高稀土离子的上转换效率的有效方法之一就是提高入射光功率。但是，随着入射光功率的提高，样品表面及周围环境的温度会随之发生变化，这将对温度传感带来影响。基于此，本论文对稀土上转换纳米晶中的红外激光诱导热效应及传感特性进行了研究。
　　首先，利用水热合成法制备了不同浓度的Er3+单掺杂、Yb3+单掺杂和Er3+/Yb3+共掺NaYF4纳米晶体，利用X射线衍射仪对粉末样品进行了测试，并对其物相进行了分析和确认;对样品进行压片处理后，利用光谱测试系统对不同样品的上转换荧光光谱在不同泵浦功率下进行了测试，对样品的绿光辐射带、红光辐射带、总体发光强度和红绿光辐射带的积分强度比(R/G)随稀土离子掺杂浓度的变化进行了分析和研究，并通过CIE坐标图给出了样品发射光谱颜色的变化情况;通过能级图对所制备的样品的上转换机制进行了分析，给出了峰值中心波长处发光强度随稀土离子掺杂浓度的变化曲线，并对其双对数功率关系进行了分析和研究。
　　其次，测试了不同浓度Er3+单掺杂和Er3+/Yb3+共同掺杂NaYF4纳米晶体样品在不同温度下的上转换荧光光谱，研究了红光和绿光的积分强度随温度的变化;并对峰值中心波长（520nm和539nm）处荧光强度比(Fluorescence Intensity Ratio，FIR)随温度的变化进行了分析和研究，并通过计算绘制出不同样品的测温灵敏度S随温度的变化曲线;通过对不同样品之间的最大灵敏度和最大灵敏度时的温度进行对比，利用荧光强度比理论探讨了Er3+单掺杂和Er3+/Yb3+共同掺杂NaYF4纳米晶体在温度传感中的应用。
　　然后，利用多物理场耦合分析软件(COMSOL Multiphysics)仿真计算了在激光照射到稀土掺杂氧化钇陶瓷表面时的温度分布，并对样品表面圆斑的中心峰值温度随激光功率的变化进行了仿真，得到表面峰值温度与激光功率的变化规律，并与实验结果进行了对比;在此基础上，研究了红外激光的热效应对稀土离子掺杂上转换材料荧光过程的影响;利用COMSOL Multiphysics仿真计算了较高激光功率激发下，样品表面温度分布对荧光强度比技术的影响，进而得出修正后的荧光强度比测温公式，提出了经过改进的温度传感方案;在对参数标定的基础上，选取其中一种样品进行了实验测试，并分别通过常规方法和改进后的方法进行了计算和对比。结果表明新型的温度传感技术具有较高的信噪比。
　　最后，利用修正后的荧光强度比公式，发现荧光强度比值FIR不仅与环境温度有关，还与入射的激光功率相关，因此提出了一种新型的激光功率传感技术。在测试了不同浓度样品在不同激光功率下的荧光光谱后，研究了不同激光功率下520nm和539nm处FIR随功率的变化，并对参数进行了标定;在模拟实验中考虑了激光光斑的大小、入射激光的波长、不同材料等因素对实验的影响，发现此功率传感技术具有较高的精度，不依赖于材料所处的复杂环境，在生物应用领域具有较重大的价值。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景与意义

1．2稀土掺杂上转换发光机制

1．2．1激发态吸收

1．2．2无辐射弛豫过程

1．2．3能量传递

1．2．4发光过程

1．3稀土上转换发光材料

1．3．1激活离子

1．3．2敏化离子

1．3．3基质的选择

1．4稀土上转换发光纳米晶体材料的应用

1．4．1上转换材料在太阳能电池上的应用

1．4．2上转换材料在显示和安全中的应用

1．5论文主要研究内容

第2章稀土掺杂NaYF4纳米晶荧光光谱特性分析及上转换机理

2．1引言

2．2．1稀土掺杂NaYF4纳米晶体样品的制备

2．2．2样品测试系统

2．3 NaYF4纳米晶体的结构分析

2．3．1 Er3+单掺杂NaYF4纳米晶

2．3．2 Yb3+单掺杂NaYF4纳米晶

2．3．3 Er3+／Yb3+共掺杂NaYF4纳米晶

2．4 NaYF4纳米晶体的上转换荧光光谱测试及分析

2．4．1 Er3+单掺杂NaYF4纳米晶

2．4．2 Yb3+单掺杂NaYF4纳米晶

2．4．3 Er3+／Yb3+共掺杂NaYF4纳米晶

2．5 NaYF4纳米晶体的上转换机理

2．5．1 Er3+单掺杂NaYF4纳米晶

2．5．2 Yb3+单掺杂NaYF4纳米晶

2．5．3 Er3+／Yb3+共掺杂NaYF4纳米晶

2．6本章小结

第3章基于FIR的温度传感方法研究

3．1引言

3．2荧光强度比理论

3．3 NaYF4纳米晶体温度传感研究

3．3．1 Er3+单掺杂NaYF4纳米晶

3．3．2 Er3+／Yb3+共掺杂NaYF4纳米晶

3．4本章小结

第4章基于FIR与激光热效应传感方法研究

4．1引言

4．2基于FIR的功率测量理论研究

4．2．1光功率传感及其在生物领域的应用

4．2．2 COMSOL仿真

4．3激光热效应对多光子上转换荧光过程的影响

4．4基于激光热效应的高信噪比温度传感

4．4．1 Er3+掺杂Y2O3陶瓷材料的温度研究

4．4．2 COMSOL仿真

4．4．3标定及实验

4．5基于激光热效应的新型功率传感方法实验与仿真

4．6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢