Cr3+、Ho3+掺杂的Al2O3粉体、薄膜的制备及发光性能研究

摘要

作为第一种投入使用的激光介质材料，Al2O3以其良好的机械性能、抗腐蚀性能和光学性能被广泛应用于生产、医疗、科研等多个领域。其中，Cr3+掺杂的红宝石激光器仍是当今制备大功率激光器的主要材质之一；Ti掺杂的飞秒级蓝宝石激光器在医疗领域的应用亦无可取代。如何制备出能在不同波段产生高质量、大功率激光的介质材料仍是当今激光技术发展的热点之一。本文采用球磨法、脉冲激光沉积法分别制备了不同浓度Cr3+、HO3+掺杂Al2O3粉体、薄膜，实验内容及结果如下：
　　 1.高能球磨法制备了Cr3+：Al2O3粉体，1200℃退火2 h。样品结构为六方结构α-Al2O3，粒径22～25 nm。以579nm为激发波长，样品发射光谱显示：469nm、482 nm、492 nm出现Al2O3中F+色心引起的发光峰。694 nm处出现由Cr3+离子2-A→4A2能级跃迁引起的发射峰，并且该峰在03wt％掺杂时强度最高，随着掺杂浓度的进一步提高，出现浓度淬灭引起的发光强度减弱。
　　 2.采用PLD法在Si(100)上制备了Cr3+：Al2O3薄膜，样品为γ相Al2O3。薄膜平均粒径250 nm，基本保持了靶材中各元素比例，同时有氧空位产生。与Al2O3粉末相比，薄膜在320 nm、386 nm处发光强度有明显增强。归结为薄膜中氧空位增加，双氧空位形成的F2色心、F2+色心浓度提高，导致样品在该波段发光强度提高。1wt％Cr3+掺杂薄膜在694 nm出现Cr3+离子由2-A能级跃迁至4A2能级引起的发射峰。
　　 3.采用高能球磨法制备了Ho3+：Al2O3粉体，1200℃退火2 h。样品结构为α-Al2O3，粒径35.36 nm。样品在454 nm、540 nm出现Ho3+离子5I8能级跃迁至5G6(5F2，3K8，5F1)能级、5I8能级跃迁至5F4(5S2)能级引起的吸收峰。
　　 4.PLD法制备了Ho3+：Al2O3薄膜，样品呈γ-Al2O3结构。用579 nm波长光作为激发光源，除Al2O3内氧缺位形成的色心引起的发光峰外，无与Ho3+有关的发光峰出现。归结为Al2O3内色心存在抑制了与Ho3+有关发射峰的产生。