稀土离子掺杂NaYF4纳米颗粒及微晶玻璃的光学性能的研究

摘要

纳米材料由于其独特的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应表现出许多独特的性质,在催化、医药、生物标记、通讯等方面均有广阔的应用前景。已有稀土离子、过渡金属离子等在含纳米晶的氟氧化物微晶玻璃中发光增强的报道,将这些离子掺杂到一维纳米结构的材料中也可能会发现其特殊的性质。随着纳米科学与技术在各个传统领域的渗透,以及稀土离子掺杂材料的优异的光学性能,纳米颗粒中稀土离子的光谱性质及其潜在应用近来颇受关注。本论文研究课题的提出基于稀土离子掺杂纳米晶的光学性能研究,包括以下三个部分:
　　 1.由于一维纳米材料的一维取向性和限域性,如果在一维纳米材料中引入发光活性中心,该一维纳米材料的发光有可能是线偏振的,可应用于一维线偏振光源、传感、光探测器等。本文首先采用简单无毒的溶剂热法,通过对反应条件的讨论,制备了大小、形貌可控的六方NaYF4纳米颗粒,并在单个纳米棒中引入发光活性中心对yb3+/Tm3+。在980nm连续激光激发下,观察到Yb3+/Tm3+共掺NaYF4纳米棒有很强的上转换可见发光。研究了单根纳米棒的光学偏振性能,得到整体偏振发光率为0.31。同时计算了不同发射波长440nm、635nm、703nm的偏振发光率,分别为0.37、0.17、0.97。对于Tm3+离子的不同发射波长的偏振发光率不同的解释仍显不足,还值得深入研究。该NaYF4纳米颗粒有望用于制备一维纳米线偏振光源。
　　 2.稀土离子掺杂于氟氧微晶玻璃中综合了其在玻璃和氟化物纳米晶的优点,既拥有玻璃易制备、易拉制成光纤的性质,又兼具了其在纳米晶优越的光学性能。本文制备了Tm3+-yb3+共掺的含CaF2纳米晶相的氟氧化物透明玻璃,利用XRD、HREM、SAED、吸收光谱、稳态荧光光谱等表征手段,对Tm3+在微晶玻璃和玻璃中中红外发光强度进行比较,观察到微晶玻璃中中红外发光更强,当Yb3+浓度为8.mol％时,微晶玻璃中中红外发光增强了两倍。同时不同温度下的中红外发光测试表明,在该基体中可忽略环境温度的影响。利用J-O理论对Tm3+离子在微晶玻璃和玻璃中的光学参数进行计算,结果表明在微晶玻璃中Tm3+的中红外激光输出更强。该氟氧微晶玻璃体系相对氟化物玻璃来说更适合于作为中红外激光输出基体。
　　 3.基于荧光强度比技术的光学温度传感器由于准确性高、成本低、检测简单、不易受外界因素的影响成为新的研究热点。它要求稀土离子掺杂在合适的基体中,在低功率的激发光源的激励下能得到强的上转换信号。氟氧微晶玻璃兼具了氧化物玻璃耐高温和氟化物晶体低声子能量、稀土离子发光效率高的优点。本文选择Yb3+-Er3+共掺SrF2微晶玻璃,研究了Er3+:2H1l/2→4I15/2、4S3/2→4I15/2在不同环境温度下的荧光特性,根据荧光强度比R(I522/540)随温度的变化对实验数据进行拟合,根据拟合的结果计算不同温度下的灵敏度R,在350K时灵敏度R达到最大值为0.0024/K。同时荧光强度比R随泵浦光功率变化基本不变,结果表明该SrF2微晶玻璃适合于作为光纤温度传感器。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 主要工作内容

第二章 实验理论基础及样品检测与表征

2.1 实验理论基础

2.1.1 稀土离子共掺纳米颗粒的荧光偏正特性

2.1.2 稀土离子共掺纳米颗粒的光谱特性

2.1.3 稀土离子共掺的温度荧光特性

2.2 样品检测与表征

2.2.1 玻璃密度(density)和掺杂稀土离子浓度

2.2.2 折射率

2.2.3 差热分析

2.2.4 X射线衍射(X-Ray Diffraction)

2.2.5 透射电镜(TEM)和高分辨透射电镜

2.2.6 吸收光谱(Translllission/Absorption Spectra)

2.2.7 激光激发荧光光谱(Photostimulated Luminescence)

2.2.8 偏振发光表征系统

2.3 稀土离子光谱性能分析

2.3.1 Judd-Ofelt理论

2.3.2 McCumber理论

第三章 Yb3+,Tm3+:NaYF4单个纳米颗粒的制备及光学偏振性能研究

3.1 引言

3.2 Yb3+,Tm3+:NaYF4单个纳米颗粒的制备

3.3 Yb3+,Tm3+:NaYF4单个纳米颗粒的结构研究

3.4 Yb3+,Tm3+:NaYF4单个纳米颗粒的光学偏振性能研究

3.5 本章小结

第四章 Tm3+-Yb3+共掺含CaF2纳米晶的氟氧化物透明微晶玻璃的制备发光性能研究

4.1 引言

4.2 玻璃及微晶玻璃的制备

4.3 Yb3+-Tm3+共掺微晶玻璃的结构研究

4.4 Yb3+-Tm3+共掺微晶玻璃的光谱性能研究及J-O理论分析

4.5 本章小结

第五章 Er3+/yb3+掺杂含SrF2纳米晶的透明微晶玻璃的制备及荧光温度性能的研究

5.1 引言

5.2 Er3+-yb3+共掺SrF2氟氧微晶玻璃的制备

5.3 Er3+-yb3+共掺SrF2氟氧微晶玻璃的结构研究

5.4 Er3+-yb3+共掺SrF2氟氧微晶玻璃在室温下的光谱性能研究

5.5 Er3+-Yb3+共掺SrF2氟氧微晶玻璃的荧光温度性能

5.6 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士学位期间发表的论文