Er掺杂SiO-PbF-PbO透明玻璃陶瓷微结构和上转换发光的研究

摘要

近年来，稀土离子掺杂材料由于其在全固态激光器，光纤通信等领域的潜在应用而被人们广泛的研究。其中稀土离子掺杂的重金属氟氧化物玻璃陶瓷更是引起了研究者的重视。氟氧化物玻璃陶瓷是一种两相材料，它的特点是通过对玻璃进行适当的热处理，使得稀土离子掺杂的氟化物微晶均匀分布于氧化物玻璃基体中。因此，它不但可以提供有利于稀土离子发光的氟化物低声子环境，而且具有可以和氧化物玻璃相当的机械性能以及化学和热稳定性。
　　 本文采用高温烧结法制备了稀土Er3+离子掺杂的SiO2-PbF2-PbO透明玻璃陶瓷，结合差热分析(DSC)，X 射线衍射(XRD)，荧光谱和吸收谱等方法详细地讨论了不同制备工艺参数、不同的基质组分以及不同的稀土化合物掺杂对于玻璃陶瓷的微结构和上转换发光的影响。
　　 首先我们制备了名义摩尔组分为50SiO2-20PbF2-30PbO-0.5ErF3的玻璃和玻璃陶瓷样品。在SiO2-PbF2-PbO体系中，由于原料在烧结过程中部分PbF2 会反应消耗掉，从而引起实际配比与名义配比的差异，所以原料的烧结时间应该得到控制。为了获得理想的玻璃陶瓷，原料在1000℃时的烧结时间为15min 左右，样品的热处理温度为其玻璃转变温度以上25℃左右。热处理得到的透明玻璃陶瓷中的微晶相为β-PbF2，晶粒大小约为12nm 左右，且玻璃陶瓷样品的荧光强度要远远大于热处理前的玻璃。
　　 在上述制备工艺的基础上我们研究了不同的稀土化合物掺杂对于名义摩尔组分为50SiO2-20PbF2-30PbO-0.5Er3+的玻璃和玻璃陶瓷样品微结构和光学性质的影响，其中0.5Er3+分别以化合物Er2O3，ErOF，ErF3和ErCl3 中的Er 成份掺入。结果表明，热处理后的玻璃陶瓷的2 Ω值均小于其对应的玻璃的2 Ω值。这主要是由于热处理使得稀土Er3+离子优先富集到氟化物微晶中。另外当稀土离子以ErCl3的形式掺入时会导致玻璃陶瓷透明度的下降，以ErF3的形式掺入时最有利于β-PbF2 纳米微晶的形成，而且样品具有最小的红绿上转换荧光强度比。
　　 最后我们制备了名义摩尔组分为50SiO2-xPbF2-(50-x)PbO-0.5ErF3的玻璃和玻璃陶瓷样品。结果表明，随着基质组分中PbF2 含量的增加，所得玻璃陶瓷样品中PbF2的结晶程度会提高，微晶中Er3+离子浓度将降低，从而导致透明玻璃陶瓷中红绿上转换发光强度比值减小。