钇共掺杂的掺铒氧化铝光致发光增强机制研究

摘要

本文采用非水性溶胶-凝胶工艺制备Er3+-Y3+共掺杂Al2O3粉末，通过红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)及能量分散谱(EDS)和荧光光谱等方法，系统地研究了Y3+共掺杂对掺Er3+:Al2O3粉末颗粒形貌和结构，1400-1700nm近红外Stokes发光和500-700nm绿、红色反Stokes(上转换)发光的影响作用规律，揭示了Y3+共掺杂对掺Er3+:Al2O3光致发光的增强机制。 以异丙醇铝[Al(OC3H7)3]为前驱体，硝酸铒盐[Er(NO3)3·5H2O]为掺杂介质，在异丙醇[(CH3)2CHOH]环境下水解合成Er3+掺杂Al2O3溶胶。随H2O与Al3+摩尔比由0:1增加到5:1，掺1mol％Er3+:Al2O3溶胶粘度由4.33mm2/s减小到4.16mm2/s，胶粒尺度由40nm减小到3nm。900℃烧结不同H2O与Al3+摩尔比的掺Er3+:Al2O3溶胶，所得粉末均为γ-(Al,Er)2O3和θ-(Al,Er)2O3混合相结构，粉末颗粒尺度均约为10nm。随H2O与Al3+摩尔比增大，粉末中羟基(-OH)含量逐渐增加，而掺Er3+:Al2O3粉末在977.3nm激光泵浦下获得的对应于Er3+4I13/2→4I15/2跃迁过程的1530nm波长Stokes发光强度先增强后减弱，H2O与Al3+摩尔比为2:1时粉末发光强度最强。 以硝酸铒盐[Er(NO3)3·5H2O]为掺杂介质，硝酸钇盐[Y(NO3)3·5H2O]为共掺杂介质，制备H2O与Al3+摩尔比为2:1的0-20mol％Y3+共掺杂的掺0.001-2mol％Er3+:Al2O3溶胶。0-20mol％Y3+共掺杂的掺1mol％Er3+:Al2O3溶胶，粘度均约为4.18mm2/s，胶粒尺度因Y3+共掺杂增加，10mol％Y3+共掺杂时胶粒长大至约10nm。900℃和1000℃烧结0-20mol％Y3+共掺杂的掺Er3+:Al2O3粉末均为γ-(Al,Er,Y)2O3和θ-(Al,Er,Y)2O3混合相结构，1000℃烧结20mol％Y3+共掺杂的粉末有(Y,Er)3Al2(AlO4)，3化合物相析出；掺Er3+:Al2O3粉末γ和θ相非晶化程度随Y3+共掺杂浓度增加而逐渐加剧。Y3+共掺杂对掺Er3+:Al2O3粉末中-OH含量无影响，粉末颗粒尺度因Y3+共掺杂而逐渐增大，10-20mol％Y3+共掺杂使得1000℃烧结的掺1mol％Er3+:Al2O3粉末颗粒由约10nm增大至约40nm。 977.3nm波长激光泵浦下，γ-和θ-(Al,Er,Y)2O3混合相结构的Er3+-Y3+共掺杂Al2O3粉末均得到了非均匀宽化的中心波长在1530nm的Stokes发光谱，(Y,Er)3Al2(AlO4)3化合物相析出时，光谱发生劈裂。0.001mol％超低Er3+掺杂浓度时，Y3+共掺杂对掺Er3+:Al2O3粉末发光强度没有影响；随Er3+浓度增大至0.01-2mol％，Y3+共掺杂的掺Er3+:Al2O3粉末1530nm波长发光强度随Y3+共掺杂浓度增加而增强。20mol％Y3+共掺杂使得900℃和1000℃烧结的掺1mol％Er3+:Al2O3粉末发光强度分别提高了30倍和40倍。Y3+共掺杂抑制了Er3+浓度猝灭效应，20mol％Y3+共掺杂使掺Er3+:Al2O3粉末1530nm荧光猝灭浓度由0.1mol％提高至1mol％。 Er3+-Y3+共掺杂Al2O3粉末Er3+的1530nm波长荧光寿命随Y3+共掺杂浓度增加而逐渐增大，20mol％Y3+共掺杂使900℃烧结的掺0.1mol％和1mol％Er3+:Al2O3荧光寿命分别由3.5ms和3.3ms提高至5.8ms和4.1ms；Er3+辐射寿命和泵浦吸收截面不因Y3+共掺杂而改变；Er3+光活度系数随Y3+共掺杂浓度增加而增大，900℃烧结的掺0.1mol％和1mol％Er3+:Al2O3粉末的Er3+光活度系数因20mol％Y3+共掺杂分别提高了10倍和20倍。Y3+共掺杂通过提高。Er3+光活度系数和Er3+荧光寿命实现了对掺Er3+:Al2O3粉末1530nm波长Stokes发光的增强作用，且Er3+光活度系数的提高具有主要作用。Y3+共掺杂破坏了掺Er3+:Al2O3粉末中Er3+的微观团簇，激活了处于团簇状态的非光活性Er3+，因此提高了掺Er3+:Al2O3粉末中Er3+的光活度系数；Y3+共掺杂对Er3+荧光寿命的增强作用，归因于抑制Er3+-Er3+能量传递速率和-OH猝灭速率，从而减小了Er3+无辐射跃迁速率。 Er3+-Y3+共掺杂Al2O3粉末在977.3nm激光泵浦下发生535、553nm绿色和670nm红色上转换发光。(Y,Er)3Al2(AlO4)3化合物相析出时，绿、红色上转换发光谱产生劈裂。Er3+-Y3+共掺杂和Er3+掺杂Al2O3上转换发光均为双光子上转换吸收过程，绿色上转换主要为激发态吸收4I11/2+aphoton→4F7/2和交叉弛豫4I11/2+4I11/2→4I15/2+4F7/2过程，红色上转换主要为4I13/2+aphoton→4F9/2和4I11/2+4I13/2→4F9/2+4I15/2过程。Y3+共掺杂使得光活性Er3+数量增加的同时又抑制了Er3+交叉弛豫过程，因此随Y3+共掺杂浓度增加Er3+上转换发光强度呈现先增加后降低的变化趋势，10mol％Y3+共掺杂时粉末发光强度最强。10mol％Y3+共掺杂使900℃和1000℃烧结的掺1mol％Er3+:Al2O3绿色上转换发光强度分别增强了约30倍和100倍，使红色上转换发光强度分别增强了约2倍和10倍。Y3+共掺杂对Er3+上转换发光具有颜色调制作用。绿色和红色上转换发光强度比(Igreen/Ired)随Y3+共掺杂浓度增加而增大，上转换发光由红色逐渐变为绿色。结合速率方程分析了Igreen/Ired的变化规律，表明Igreen/Ired正比于4I11/2和4I13/2能级上的Er3+密度比N3/N2。Y3+共掺杂抑制了Er3+:4I11/2→4I13/2无辐射跃迁过程，导致N3/N2增大。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪 论

1.1掺Er3+光波导材料

1.2掺Er3+上转换发光材料

1.3 Er3+光致发光的影响因素

1.4 Er3+-Y3+共掺杂发光材料的研究现状

1.5本论文选题的意义和目的

1.6本论文的研究内容

第二章非水性sol-gel法制备稀土掺杂Al2O3工艺及分析测试方法

2.1稀土掺杂Al2O3粉末制备

2.2结构分析

2.3发光特性测试

第三章Er3+-Y3+共掺杂Al2O3结构研究

3.1胶体结构

3.2粉末结构

3.3讨论

3.4结论

第四章Er3+-Y3+共掺杂Al2O3近红外Stokes发光研究

4.1控制胶体水解程度制备掺Er3+：Al2O3粉末Stokes发光

4.2 Y3+共掺杂浓度变化的掺Er3+：Al2O3粉末Stokes发光

4.3Er3+-Y3+共掺杂Al2O3粉末不同泵浦条件下的Stokes发光

4.4讨论

4.5结论

第五章Er3+-Y3+共掺杂Al2O3绿、红色上转换发光研究

5.1 Y3+共掺杂浓度变化的掺Er3+：Al2O3粉末上转换发光

5.2 Er3+-Y3+共掺杂Al2O3粉末不同泵浦条件下的上转换发光

5.3讨论

5.4结论

总结论

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致 谢