稀土(Dy，Nd，Yb，Er)掺杂氧化铝发光特性和测温应用

摘要

三价稀土离子有丰富的能级，其上转换发光在光学温度传感器、短波长激光器和白光模拟等领域展现了巨大的应用潜力。
　　 首先，溶胶凝胶法制备氧化铝，选取乙酰丙酮、异丙醇、异丙醇铝、高纯水等化学原料按照特定的比例发生鳌合、水解反应生成基质材料氧化铝溶胶。在此基础上按照实验设计加入稀土硝酸盐Er(NO3)3、Yb(NO3)3、Nd(NO3)3和Dy(NO3)3等。将得到的稀土掺杂氧化铝凝胶经过干燥，制备出不同掺杂参数的镱铒钕共掺、镱镝共掺氧化铝系列样品，给出优化的工艺参数，如退火时间、退火温度等。
　　 其次，用978nm半导体激光器作为泵浦源，常温下测量了Dy3+:Yb3+共掺氧化铝样品在350-950nm区间的光致发光特性，讨论分析了主要发光峰的上转换机制。实验观测到6个较强的光致发光谱：378nm、408nm、527nm、544nm、663 nm和883nm。功率谱测量和上转换机制分析表明378nm和408nm上转换发光为三光子过程，而527nm是两光子和三光子共同作用过程，544nm和663 nm主要为两光子过程。
　　 再次，讨论了yb3+:Er3+Nd3+共掺氧化铝温度传感材料的原理，并对813nm和887nm发射光谱跃迁机制及对应的能级结构进行了分析。当温度由375K升高到887K，钕离子在813nm和887nm的发射光谱随温度升高而增强，并且813nm光谱强度增强的速度明显超过887nm光谱，两光谱分别对应着4F5/2+2H9/2→4I9/2和4F3/2→4I9/2能级的跃迁，整个钕离子发射光谱的布局数是铒离子二次敏化过程。利用荧光强度比法对不同温度时两光谱强度进行处理，得到yb3+:Er3+:Nd3+共掺氧化铝温度传感材料灵敏度最高精度达到0.0015K-1。
　　 最后，对本论文工作进行了总结，并对掺杂稀土上转换发光材料的研究方向进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 课题研究的意义和国内外进展

1.1选题的科学意义

1.2稀土掺杂材料发光研究进展

1.2.1国外稀土掺杂材料发光研究进展

1.2.2国内稀土掺杂材料发光研究进展

1.3掺杂稀土元素的选择

1.4本论文的主要内容

第二章 溶胶凝胶法简介及氧化铝基质材料制备

2.1溶胶凝胶法特点

2.2溶胶凝胶的基本原理

2.2.1溶胶凝胶机制

2.2.2溶胶凝胶中的基本反应

2.3溶胶凝胶法的基本工艺

2.3.1溶液溶胶化阶段

2.3.2凝胶化阶段

2.3.3固化处理阶段

2.4稀土元素掺杂氧化铝的制备

2.4.1异丙醇铝的制备

2.4.2氧化铝溶胶的制备

2.4.3稀土掺杂氧化铝粉末制备

第三章 Yb3+：Dy3+共掺氧化铝上转换研究

3.1上转换的几种形式简介

3.1.1激发态吸收(ESA：excited state absorption)

3.1.2能量传递(ET：energy transfer)

3.1.3交叉弛豫(CR：cross relaxation)

3.1.4合作上转换(CU：cooperative up-conversion)

3.2实验过程

3.3优化浓度的选择

3.4光谱分析

3.4.1 378nm和408nm光谱的形成分析

3.4.2 527nm和543nm光谱的形成分析

3.4.3 663nm光谱的形成分析

第四章 镱铒钕共掺氧化铝温度特性

4.1温度传感器简介

4.1.1热膨胀式温度传感器

4.1.2电阻温度传感器

4.1.3热电偶温度传感器

4.1.4石英温度传感器

4.1.5辐射式测温传感器

4.2镱铒钕共掺氧化铝温度特性

4.2.1镱铒钕共掺氧化铝温度传感器的优势

4.2.2镱铒钕共掺氧化铝传感器实验过程

4.2.3分析讨论发光机理

4.2.4荧光强度比法数据处理

第五章 总结与展望

5.1论文的主要工作

5.1.1溶胶凝胶法制备稀土掺杂氧化铝材料

5.1.2镱镝共掺氧化铝材料的光谱分析

5.1.3镱铒钕共掺氧化铝材料温度传感器研究

5.2稀土掺杂材料未来展望

5.2.1理论完善

5.2.2应用展望

参考文献

致 谢

附 录 攻读硕士期间发表的论文