稀土掺杂溶胶凝胶玻璃的光学性能的研究

摘要

溶胶凝胶玻璃由于具有结构均匀、组分可控和形态多样等优点，被认为是一种极具潜力的光学材料，可广泛应用在光学传感器、发光器件和太阳能电池等领域。但是，因为内部结构和制备工艺的限制，所得到的材料及其构筑的器件无法表现出优异的性能，这限制了进一步应用和发展。围绕稀土掺杂溶胶凝胶玻璃的光学性能，包括紫外光屏蔽性能、发光性能和耳语回廊模式(WGM)谐振性能，针对材料性能上存在的不足，本论文提出了基于调控内部微结构的设计思路，制备出具有优异性能的材料并进行评价和表征。本论文着重开展了以下工作:
　　(1)围绕Ce掺杂硅酸盐玻璃的UV光屏蔽性能，介绍了一种利用(self-limited)自限制析晶的方法来原位构筑出Ce掺杂微晶玻璃材料，通过玻璃内无序-局部有序转变和掺杂两个过程协同调控，实现了新型紫外光屏蔽材料所需要的低活性和高光学透明性，探讨了相关物理机制，并演示了针对有机分子和生物细胞的UV光屏蔽。
　　(2)围绕Ce/Er共掺硅酸盐微晶玻璃随热处理温度升高而产生近红外发光性能增强的现象，根据微结构的演变分析了可能存在的原因，探讨了CeF3微晶相、CeO2微晶相对羟基去除的影响，通过对照试验证明了微晶表面羟基的去除对Er3+近红外发光也有贡献，为提高溶胶凝胶玻璃发光性能研究提供了一条非常有效的途径。
　　(3)介绍了一种利用非水解溶胶凝胶法来避免常规溶胶凝胶过程中存在的水解缩合速率不匹配的问题，成功制备了具有高均匀性的Yb/Er共掺碲酸盐玻璃厚膜，研究了其结构和光学性能。利用刻蚀技术成功制备了硅基微腔并研究了其光学谐振性能。该研究系国际上首次报道多组分玻璃基光学微腔。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 溶胶凝胶玻璃概述

1．1．1 溶胶凝胶法简介

1．1．2 溶胶凝胶玻璃

1．1．3 溶胶凝胶玻璃的研究现状

1．2 稀土掺杂材料的光学性能

1．2．1 Ce掺杂材料的紫外光屏蔽性能

1．2．2 稀土掺杂材料的发光性能

1．2．3 光学徽腔的WGM谐振性能

1．3 课题研究进展

1．3．1 紫外光屏蔽材料的研究进展

1．3．2 光学徼腔及腔体材料的研究进展

1．4 本研究工作的背景、意义及主要内容

1．4．1 研究背景及意义

1．4．2 研究的主要内容

第二章 实验方法

2．1 材料的制备

2．1．1 水解溶胶凝胶玻璃样品的制备

2．1．2 非水解溶胶凝胶玻璃样品的制备

2．2 材料表征及测试方法

2．2．1 热分析(DTA和TG)

2．2．2 X射线衍射(XRD，X-Ray Diffraction)

2．2．3 拉曼光谱(Raman Spectra)

2．2．4 透过／吸收光谱(Transmittance／Absorption Spectra)

2．2．5 扫描电子显徼镜(SEM，Scanning Electron Microscopy)

2．2．6 透过电子显徼镜(TEM，Transmittance Electron Microscopy)

2．2．7 荧光光谱(PL，Photoluminescence Spectra)

2．2．8 傅里叶-红外光谱(FT．IR，Infrared Spectra)

2．2．9 时域有限差分分析(FDTD，Finite Difference Time Domain Analysis)

第三章 Ce掺杂硅酸盐玻璃的设计、制备和光学性能的研究

3．1 引言

3．2 Ce掺杂硅酸盐玻璃的设计

3．3 Ce掺杂硅酸盐玻璃的制备

3．4 Ce掺杂硅酸盐玻璃的结构研究

3．5 Ce掺杂硅酸盐玻璃的催化／光催化性能研究

3．6 Ce掺杂硅酸盐玻璃的UV光屏蔽性能研究

3．7 本章小结

第四章 Er／Ce共掺硅酸盐玻璃的发光性能研究

4．1 引言

4．2 Er／Ce共掺硅酸盐玻璃的近红外发光性能的研究

4．2 Er／Ce共掺硅酸盐玻璃的近红外发光增强机理的研究

4．2．1 CeF3徼晶相的影响

4．2．2 CeO2徼晶相的影响

4．2．3 去羟基的影响

4．3 本章小结

第五章 Yb／Er共掺碲酸盐玻璃的设计、制备和光学性能的研究

5．1 引言

5．2 Yb／Er共掺碲酸盐玻璃的设计

5．3 Yb／Er共掺碲酸盐玻璃的制备

5．4 Yb／Er共掺碲酸盐玻璃的结构研究

5．5 Yb／Er共掺碲酸盐玻璃的发光性能研究

5．6 碲酸盐光学微腔的构筑

5．7 碲酸盐光学徼腔的耳语回廊谐振性能

5．8 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士学位期间的学术成果