近红外长余辉材料CaGdAlO4:Cr3+的制备及其光学特性

摘要

目前,在Cr 3+掺杂的近红外长余辉材料中,主要研究工作是关于强晶体场和中等晶体场格位的发光中心与长余辉特性(发射波长、余辉时间和光存储性质)的依赖关系,但缺乏对处于弱晶体场格位的Cr 3+与长余辉特性关系的研究。采用自蔓延燃烧法制备了不同铬离子掺杂浓度的钆铝酸钙(CaGdAlO 4∶x%Cr 3+)近红外长余辉发光材料。采用X射线衍射、扫描电子显微镜、激发和发射光谱等技术手段研究了离子掺杂浓度和热处理条件对粉末样品的微结构、形貌、粒子尺寸及发光性能的影响。结果表明:在0.1%~2.0%的掺杂浓度范围内,由于具有相同配位数的Cr 3+和Al 3+半径相近,Cr 3+取代了CaGdAlO 4中的Al 3+格位。从样品的激发谱中可以发现,240,373及592 nm的激发峰分别归属于Cr 3+的4 A 2→4T 1(4P),4A 2→4T 1(4F)和4A 2→4T 2(4F)的跃迁,对应于276和313 nm的激发峰则来源于基质中的Gd 3+8S 2/7→6I j和6P 2/7→8S 2/7的跃迁;在红光(592 nm)的激发下,650~850 nm范围内出现了极大值位于744 nm的近红外宽带发射,并叠加有若干窄带近红外发射。近红外发光强度随着Cr 3+的掺杂浓度的增加呈先增加后下降的趋势,最佳掺杂浓度为1%。对上述优化浓度的样品经真空气氛800℃热处理后,发现样品的平均晶粒尺寸由417 nm增大到843 nm,发光强度增强了2倍。实验发现,在CaGdAlO 4基质中,Cr 3+取代了处于弱晶体场环境的Al 3+格位。通过晶场参数计算和光谱分析,指认了样品光致发光的起源。通过激发光谱数据的计算,发现晶体场强度Dq/B=1.54<2.3,理论计算表明Cr 3+处于较弱的晶体场格位环境,与实验研究结果相符合。发射光谱中670 nm宽带发射可归属为4T 2→4A 2的零声子线,744和756 nm宽带发射对应于4T 2→4A 2的声子边带跃迁。热处理后的样品,余辉时间超过了60 s。尤其,与Cr 3+处于中等和强晶体场格位的情形相比(近红外发射峰极大值位于697 nm),处于弱晶体场环境的铬离子近红外发射峰的极大值移动到744 nm,更接近于第一生物窗口的中央,这将更有利于生物医学成像的应用。该研究对发现新型长余辉发光材料和拓展其应用具有重要的实际意义。