一种具有白光发射和光温传感双功能的稀土掺杂透明玻璃陶瓷及其制备方法

摘要

本发明涉及一种具有白光发射和光温传感双功能的稀土掺杂透明玻璃陶瓷及其制备方法，属于稀土发光材料技术领域。以稀土离子Dy3+,Eu3+和Tb3+为发光中心，将其单掺或共掺在偏磷酸盐玻璃陶瓷前驱体中，在紫外光激发下发出多频率的强烈荧光。其制备方法包括：(a)原料的选取，(b)配料的混合，(c)玻璃陶瓷熔制三个步骤。本发明制备的透明玻璃陶瓷不仅能够实现把紫外不可见光向可见光转换而且还能够实现光温传感性能，的光温传感材料。本材料适合大面积工业生产。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有光温传感性质的稀土掺杂透明玻璃陶瓷及其制备方法，属于稀土发光材料技术领域。

背景技术

玻璃是非常多用的材料，因为它们可以容易地掺杂不同类型或数量的杂质。它们可以用作持久的荧光体，光波导，光学显示器等。稀土离子掺杂的发光玻璃材料近年来受到广泛关注。由于稀土离子特殊的4f电子结构使其具有良好的荧光特性、发光色度纯、物化性质稳定、转换效率高等特点。传统的温度传感器需要通过接触的方式实现温度的测量，但是，在纳米领域，普通接触性的测量是难以真正实现的。因此，传统的温度传感器已不再适用于纳米规模、微电子、生物等领域。需要探寻一种新的温度测量方式。

考虑到实用性，本专利提出了通过稀土光学玻璃的荧光发射光谱来实现环境温度的监控。通过计算不同温度下的相邻发射峰的荧光强度比，获得这个荧光强度比与温度的依赖关系，实现对温度的监控。目前，980nm的红外光被报道为使用于光温传感的激发光源，在980nm红外光的激发下，稀土离子发出上转换荧光，实现红外光向可见光转换。但是，一般情况下，稀土离子的上转换效率很低，这就需要很大980nm激发功率来突破上转换阈值。由于大功率红外光的激发，就会导致了980nm激发光源本身的热影响较大，对某一区域的温度监控产生大的影响，结果会导致大的误差。为了克服这种弊端，本专利利用小功率(大约0.5Mw/mm²)的355nm的紫外光为激发光源，减小了激发源本身的热影响。为了响应355nm的紫外光激发源，本专利选用Dy³⁺、Eu³⁺、Tb³⁺稀土离子为发光中心，制备了Dy³⁺、Eu³⁺、Tb³⁺稀土离子掺杂的透明玻璃陶瓷，该玻璃具有高的透光性，高的热稳定性(能够承受800度的高温)和高的发光强度。而且，我们可以通过监控Dy³⁺、Eu³⁺、Tb³⁺稀土离子的荧光光谱随温度的变化来实现温度的测量。我们获得敏感度大于文献报道的最大灵敏度值0.02K^-1(Adv.Mater,2016,28>

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种具有白光发射和光温传感双功能的稀土掺杂透明玻璃陶瓷及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种具有白光发射和光温传感双功能的稀土掺杂透明玻璃陶瓷其组成为:各组分及其摩尔比为： ZnO：NH₆PO₄：Dy³⁺＝33.33：66.67：0.67、

ZnO：NH₆PO₄：Dy³⁺：Eu³⁺＝33.33：66.67：0.67：0.33-1.67或

ZnO：NH₆PO₄：Dy³⁺：Tb³⁺＝33.33：66.67：0.67：0.33-1.67。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种具有白光发射和光温传感双功能的稀土掺杂透明玻璃陶瓷的制备方法：包括以下几个步骤：

(a)原料的选取

玻璃陶瓷原料主要为分析纯的ZnO和NH₆PO₄，稀土离子选择纯度为99.99％的氧化物；

(b)玻璃陶瓷配合料的混合

精确地按照配比称取原料，放入研钵中加无水乙醇充分研磨0.5小时；

(c)玻璃陶瓷熔制

玻璃陶瓷熔制采用的是刚玉坩埚，熔制温度为1300℃，时间2小时，然后迅速冷却成玻璃陶瓷，再经过退火，增加微晶的结晶度，退火温度为350℃，时间为12小时。

本发明的有益效果：

(1)本发明制备方法简便，色温较低，适合工业批量生产。

(2)本发明制得的玻璃陶瓷较荧光粉具有良好的热稳定性和化学稳定性。

(3)本发明利用稀土离子的热耦合能级在温度变化时遵循波尔兹曼分布，并利用波尔兹曼公式对样品荧光强度比进行拟合，得到荧光强度和温度的关系，进而得到样品对温度的相对灵敏度曲线。因而我们不仅可以通过监控Dy³⁺、Eu³⁺、>3+稀土离子的荧光光谱随温度的变化来实现温度的测量，还可以基于相对灵敏度与温度的关系，获得最大灵敏度为(0.0976K^-1，970K)，实现精密光温传感器的性能。

附图说明

下面结合附图对本发明的作进一步说明。

图1为实施例1的样品在355nm激发下的发射光谱。

图2为实施例1样品的574nm/664nm荧光强度比与温度的关系。

图3为实施例1样品的相对灵敏度与温度的关系。

图4为实施例2-6的样品在355nm激发下的发射光谱。

图5为实施例3样品的484nm/611nm荧光强度比与温度的关系。

图6为实施例3样品的相对灵敏度与温度的关系。

图7为实施例7-11的样品在355nm激发下的发射光谱。

图8为实施例11样品的485nm/575nm荧光强度比与温度的关系。

图9为实施例11样品的相对灵敏度与温度的关系。

具体实施方式

实施例1

基质材料选用分析纯的ZnO和NH₆PO₄，稀土离子选用浓度为99.99％的氧化物为主要原料，按照基质材料配比为：1ZnO–2NH₆PO₄：掺杂离子Dy³⁺，其摩尔比为0.67％的比例称取原料，各原料质量如表1所示。对实施例1样品进行光温传感测试，获得了574nm/664nm荧光强度比与温度的关系如图2所示，样品的相对灵敏度与温度的关系如图3所示。

表1实施例1的玻璃组成(单位：克)

实验结果：利用355nm紫外光源对实施例1样品进行激发，得到图1的发射光谱，并利用574nm与664nm的发射光强度进行荧光强度比，得到图2中 574nm/664nm荧光强度比与温度的关系，由图2可以看出574nm/664nm荧光强度比与温度的关系遵循波尔兹曼公式，并利用荧光强度比得到相对灵敏度与温度的关系以及最大灵敏度为(0.0976K^-1，970K)，如图3所示，说明可以通过监控Dy³⁺稀土离子的荧光光谱随温度的变化来实现温度的测量。

实施例2-6

基质材料选用分析纯的ZnO和NH₆PO₄，稀土离子选用浓度为99.99％的氧化物为主要原料，按照基质材料配比为：1ZnO–2NH₆PO₄：掺杂离子为：Dy³⁺，Eu³⁺。>3+的掺杂摩尔比为：0.67％。Eu³⁺的掺杂摩尔比为：x＝0.33，0.67，1，1.33，1.67％的比例称取原料，各原料质量如表2。选择荧光强度最强的实施例3作为样品进行光温传感测试，获得了484nm/611nm荧光强度比与温度的关系如图5所示，样品的相对灵敏度与温度的关系如图6所示。

表2实施例2-6的玻璃组成(单位：克)

实验结果：利用355nm紫外光源对实施例2-6样品进行激发，得到图4的发射光谱，并利用484nm与611nm的发射光强度进行荧光强度比，得到图5中 484nm/611nm荧光强度比与温度的关系，由图5可以看出484nm/611nm荧光强度比与温度的关系遵循波尔兹曼公式，并利用荧光强度比得到相对灵敏度与温度的关系以及最大灵敏度为(0.0088K^-1，605K)，如图6所示，说明可以通过监控Dy³⁺与Eu³⁺稀土离子的荧光光谱随温度的变化来实现温度的测量。

实施例7-11

基质材料选用分析纯的ZnO和NH₆PO₄，稀土离子选用浓度为99.99％的氧化物为主要原料，按照基质材料配比为：1ZnO–2NH₆PO₄：掺杂离子为：Dy³⁺，Tb³⁺。>3+的掺杂摩尔比为：0.67％。Tb³⁺的掺杂摩尔比为：x＝0.33，0.67，1，1.33，1.67％的比例称取原料，各原料质量如表3。选择荧光强度最强的实施例11作为样品进行光温传感测试，获得了485nm/575nm荧光强度比与温度的关系如图8所示，样品的相对灵敏度与温度的关系如图9所示。

表3实施例7-11的玻璃组成(单位：克)

实验结果：利用355nm紫外光源对实施例7-11样品进行激发，得到图7的发射光谱，并利用485nm与575nm的发射光强度进行荧光强度比，得到图8中 485nm/575nm荧光强度比与温度的关系，由图8可以看出485nm/575nm荧光强度比与温度的关系遵循波尔兹曼公式，并利用荧光强度比得到相对灵敏度与温度的关系以及最大灵敏度为(0.0031K^-1，741K)，如图9所示，说明可以通过监控Dy³⁺与Tb³⁺稀土离子的荧光光谱随温度的变化来实现温度的测量。

本发明的不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。