稀土掺杂氟氧化物玻璃陶瓷中纳米晶的结构研究

摘要

稀土离子掺杂的氟氧化物玻璃陶瓷材料作为一种重要的新型发光材料在放大器、固体激光器、光纤激光器、三维显示、光源以及通讯等器件方面存在潜在应用价值。而氟氧化物玻璃陶瓷中氟化物纳米晶的结构对稀土离子发光效率等光学性质有重要影响。本文旨在具体清楚地获得并描述稀土离子周围的晶体场环境以及纳米晶结构相关的热力学机制，为这种发光材料的发展提供理论上的指导。
　　 本文制备了稀土掺杂的氟氧化物玻璃和纳米级晶化的玻璃陶瓷并通过X射线能量色散谱(EDS)和X射线衍射谱(XRD)的表征手段研究了纳米晶的结构和对称性以及稀土离子的占位等性质。为了排除以前的研究者所经常遭遇的玻璃基质引起的干扰，运用特有的“热诱导-腐蚀法”，腐蚀掉了玻璃网格基质从而释放出包埋在其中的氟化物纳米晶，为EDS的表征提供了方便。
　　 在EDS和XRD的定量分析的基础上，本文首次提出了一个化学式为PbREF5的四方相的模型。稀土掺杂机制为RE3+对Pb2+替位，并通过F-进行填隙电荷补偿。这个模型成功描述并解释了分别在460℃-500℃和520℃-560℃的热处理温度范围被观察到的归属于同一个空间群的两组具体晶相。其有效性被进一步的更精确的Rietveld法全谱拟合结构精修所验证。
　　 另外，通过XRD和高分辨透射电子显微镜等对晶格常数进行了细致分析计算，一个基于本文提出的四方模型的“赝立方”超晶胞可以成功地解释之前研究者可能存在的立方对称性误解。利用Eu3+荧光探针作用代替Er3+/Yb3+共掺样品对局域对称性进行了表征，Eu3+的光谱结果从结构对称性的角度对所提出的模型提供了更进一步支持。同时，本文研究了玻璃陶瓷中纳米晶的结构和相关的晶相转变的热力学机制和热稳定性，并分别从基于密度泛函理论的第一性原理计算和实验分析的角度对其进行了验证。
　　 本文报道的纳米晶的结构和热稳定性以及稀土离子的明确晶体场环境对稀土掺杂的氟氧化物玻璃陶瓷的光学性质研究和进一步的应用具有深远意义。