稀土离子掺杂铌酸盐微纳米材料的上转换发光及温度传感特性的研究

摘要

近年来，稀土离子掺杂的上转换微纳米发光材料由于其独特的发光特性而被广泛地应用于激光、三维立体显示、荧光标签、温度传感、生物标记等领域，尤其在温度传感领域的研究与应用更是备受研究者们的广泛关注。目前，广泛使用的温度探测器件主要为传统的基于热接触式的温度测量设备。然而，在某些工作环境下，例如，强腐蚀性、电磁干扰环境下及微小快速移动物体的温度测量等，传统温度测量设备根本无法满足准确探测温度的要求。但是，相较于传统测量温度的技术，基于荧光强度峰值比的温度传感技术可以提供一种不受测量环境、分辨率和曝光时间等不同因素影响的温度探测，从而保证了温度探测的准确性与精度。众所周知，稀土离子具有丰富的能级结构。当相邻能级间距较小时，较高激发态能级通常可以被热布局，从而表现出温度依赖荧光发射强度的特性，因而可以用作光学温度传感材料。本文采用不同的化学方法合成了稀土离子掺杂的铌酸盐微纳米材料，并对其上转换发光机理和温度传感性质进行了详细地研究。最终通过深入的理论分析，揭示了影响基于上转换发光的光学温度传感灵敏度的主要因素。主要研究内容如下：
　　（1）采用熔盐法首次合成了Yb3+/Er3+共掺的YNbO4纳米荧光粉。X射线衍射、扫描电镜、透射电镜及高分辨透射电镜结果表明所合成荧光粉为单斜结构的YNbO4，且颗粒直径约为35 nm。在980 nm激光的激发下，所制备的YNbO4纳米荧光粉表现出较强的上转换发光强度。通过分析发光强度与激发功率之间的依赖关系，证实了绿色与红色上转换发光均为双光子上转换发光过程。基于Er3+离子的2H11/2/4S3/2两个热耦合绿光能级的荧光峰值比技术研究了YNbO4纳米荧光粉的光学温度依赖性质，并且通过调节掺杂离子的浓度实现了荧光粉传感灵敏度的调控，结果发现：随着Yb3+掺杂浓度的增加，荧光粉的传感灵敏度逐渐减小。同时观察到：随着温度升高，上转换纳米荧光粉的发光颜色从黄色变成了绿色。
　　（2）利用水热法合成了一系列不同浓度的Yb3+/Er3+共掺的NaNbO3微纳米荧光粉，并研究了NaNbO3:Yb3+/Er3+荧光粉的上转换发光性质与发光机理。X射线衍射及扫描电镜结果证实制备的荧光粉为纯相的NaNbO3:Yb3+/Er3+荧光粉。上转换荧光光谱结果表明：在980 nm激光泵浦下，共掺Yb3+/Er3+离子的荧光粉表现出较强的绿光与红光发射，分别对应着Er3+离子2H11/2,4S3/2→4I15/2的跃迁与4F9/2→4I15/2的跃迁。发光强度的功率依赖特性证明绿色与红色上转换发光均为双光子上转换过程。另外，测量了不同温度下的绿光上转换荧光光谱，并研究了不同浓度下NaNbO3荧光粉的温度传感灵敏特性，结果表明：Yb3+掺杂浓度越低，传感灵敏度越高。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1纳米材料

1.2 稀土离子的发光

1.3上转换纳米材料制备方法

1.4上转换发光材料温度传感特性

1.5 本论文的研究意义及主要内容

第二章 实验方法与检测手段

2.1 实验原材料和设备

2.2 荧光粉检测手段

第三章 YNbO4:Yb3+, Er3+荧光粉的合成以及发光性质的研究

3.1 引言

3.2 YNbO4:Yb3+, Er3+荧光粉的合成

3.3 YNbO4:Yb3+, Er3+荧光粉的表征

3.4 小结

第四章 NaNbO3:Yb3+, Er3+荧光粉的合成以及发光性质的研究

4.1 NaNbO3:Yb3+, Er3+荧光粉的合成

4.2 NaNbO3:Yb3+, Er3+荧光粉的物相分析

4.3 NaNbO3:Yb3+, Er3+荧光粉的样貌分析

4.4 NaNbO3:Yb3+, Er3+荧光粉的上转换发光

4.5 NaNbO3:Yb3+, Er3+荧光粉的功率依赖性质

4.6 NaNbO3:Yb3+, Er3+荧光粉的发光机理

4.7 NaNbO3:Yb3+, Er3+荧光粉的温度传感性质

4.8 NaNbO3:Yb3+, Er3+荧光粉的色坐标

4.9 小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文