铋镓酸盐玻璃中稀土离子的光学与光谱特性

摘要

稀土掺杂材料的上转换发光在彩色显示、光存储、光电子以及医疗诊断方面有着巨大的应用前景，近些年来受到广泛的关注。在氧化物玻璃中，镓酸盐玻璃的声子能量低于碲酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃和硼酸盐玻璃，非辐射弛豫速率小，稀土离子可以在其中获得高效率的上转换发光，因此成为稀土离子上转换发光材料有竞争力的候选基质。另外，由于加入氧化铋后，不仅能进一步降低玻璃的声子能量，同时有助于提高玻璃的折射率和密度，并获得高效跃迁发射，显示出了铋镓酸盐玻璃广阔的应用空间和良好的发展前景。因此，我们设计合成了新型的铋镓酸盐玻璃，研究了稀土离子在其中的光学和光谱特性，并将其与普通碲酸盐玻璃进行了比较，取得了以下成果： 1．设计并制备了30Ga<,2>O<,3>-50Bi<,2>O<,3>-10BaO-5Li<,2>O-5K<,2>O(mol％)(LKBBG)基质玻璃。并利用Bio-Rad室温拉曼分光光度计测试了基质玻璃的拉曼光谱，获得其最大声子能量为673cm<'-1>，要比普通碲酸盐玻璃72TeO<,2>-20ZnO-8Na<,2>O(mol％)(TZN)的最大声子能量低65cm<'->，这说明在氧化物玻璃体系中，LKBBG玻璃具有最低的最大声子能量。因此在Er<'3+>掺杂的LKBBG玻璃中有望获得很强的可见上转换荧光发射。 2．合成制备了0.5wt％Er<,2>O<,3>单掺杂的LKBBG玻璃。利用Brewster定律测试并计算了玻璃的折射率n<,d>=2.22。并对玻璃的吸收光谱和红外透过光谱展开了测试与分析。根据J-O理论，求得Er<'3+>的振子强度参数Ω，(t=2，4，6)分别为5.66×10<'-20>，1.39×10<'-20>和0.74×10<'-20>cm<'2>，并进一步计算出了Er<'3+>在LKBBG玻璃中各能级跃迁的振子强度、自发辐射跃迁几率、辐射寿命和荧光分支比等光谱参数，为进一步研发新材料作了铺垫。 3．合成制备了0.2wt％Er<,2>O<,3>单掺杂和0.2wt％Er<,2>O<,3>与0.2wt％Yb<,2>O<,3>共掺杂的LKBBG玻璃。在974nm激光器激发下观察到了明亮的上转换荧光，由于Yb<'3+>的加入，使Er<'3+>/Yb<'3+>共掺杂的玻璃体系发出更明亮、更强烈的绿光。测试并讨论了绿光和红光上转换荧光强度与激光功率的关系，并判断出绿光和红光发射的吸收过程都为双光子过程。另外，还与同样稀土离子掺杂浓度的普通碲酸盐玻璃(TZN)进行了比较：在相同的测试条件下，0.2wt％Er<,2>O<,3>单掺杂的LKBBG玻璃和TZN玻璃相比，531，548 和 668nm处上转换发射强度前者分别是后者的7，13和18倍；而在Er<'3+>/Yb<'3+>共掺杂的两玻璃体系中，比值更大，分别为35，69和123倍。 在新型的铋镓酸盐玻璃中，稀土离子的掺杂将会产生一些重要的上转换荧光性质。本文对于Er<'3+>掺杂的新型玻璃体系进行了测试与分析，表明Er<'3+>掺杂的LKBBG玻璃可能成为研发性能良好的上转换器件的材料。 上述获得的新的研究成果，为新型的彩色显示器件及上转换器件的合成提供了良好的理论依据和基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

第二章文献综述

2.1稀土元素概述

2.1.1稀土

2.1.2我国稀土资源

2.1.3稀土离子的电子组态

2.1.4稀土离子的能级

2.1.5稀土离子的跃迁与发光

2.2稀土的发光基本规律

2.2.1吸收光谱、激发光谱和发射光谱

2.2.2能量传递

2.2.3反斯托克斯上转换发光

2.3稀土上转换发光机理

2.3.1激发态吸收

2.3.2光子雪崩上转换

2.3.3能量传递上转换

2.4 J-O理论与光谱参数的计算

2.5稀土元素发光特点及其应用前景

2.6稀土激光玻璃的应用

2.7镓酸盐玻璃

第三章实验

3.1玻璃样品的制备

3.2玻璃性质测定

3.2.1密度测定

3.2.2折射率测定

3.2.3玻璃样品的研磨

3.2.4玻璃样品的差热分析

3.3玻璃的光学和光谱测试

第四章LKBBG玻璃中稀土离子的光学与光谱特性

4.1 LKBBG基质玻璃的拉曼光谱

4.2 0.5wt％Er2O3单掺杂LKBBG的光学性质

4.2.1吸收光谱和光谱参数的计算

4.2.2红外透过光谱

4.3 0.2wt％Er2O3掺杂LKBBG玻璃的上转换荧光光谱和上转换机理分析

第五章结论

参考文献

致谢

本文的研究特色和创新之处

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文