几种氧化物上转换材料的合成及其光谱性能研究

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氧化物体系上转换发光材料因为其优异的热稳定性和良好的发光性能,在生物医学成像,防伪识别以及温度传感等领域有巨大的应用前景。目前氧化物体系上转换发光材料主要通过固相法、高温热解法和溶液燃烧法制备得到。这些方法制备过程简单,反应迅速,但是缺点在于样品形貌不易调控,粒径较大,不适用于一些特殊领域。因此本文选取了声子能量相对较低的几种氧化物晶体:Gd2O3、La2Te4O11、Gd2TeO6作为基质材料,在溶液(或液相辅助)条件下制备了稀土Yb3+/Er3+/Ho3+、Yb3+/Er3+离子共掺杂的上转换发光材料。研究了制备条件对产物结构和形貌的影响,优化了稀土离子掺杂浓度,并对稀土离子间能量传递过程进行了细致分析,具体研究内容与获得的主要结果如下:(1)溶液(或液相辅助)条件下的材料制备。(1)采用共沉淀法制备得到了Gd2O3:Yb3+/Er3+/Ho3+立方结构纳米晶,对比了不同煅烧温度、稀土离子掺杂浓度对样品物相和形貌的影响。(2)采用水热法制备得到了La2Te4O11:Yb3+/Er3+发光粉,在获得纯物相的前提下优化了水热反应温度等条件,同时探讨了表面活性剂对样品最终形貌的调控作用。(3)采用水热法并后期煅烧方式制备得到了Gd2TeO6:Yb3+/Er3+发光粉,探索了煅烧温度、稀土离子掺杂浓度对最终产物物相的影响。(2)调节稀土离子掺杂浓度以优化材料上转换发光性能。(1)在Gd2O3纳米晶体材料中,通过不同稀土掺杂离子浓度上转换发光性能的对比发现,以(15/1)的Yb3+/Er3+浓度掺杂,处于980nm近红外激光激发下,获得较为明亮的红光。以(15/1/0.5)的Yb3+/Er3+/Ho3+浓度掺杂,处于980nm近红外激光激发下,获得较为明亮的亮黄绿光。(2)在La2Te4O11纳米晶体材料中,以(5/1)的Yb3+/Er3+浓度掺杂样品获得了最强的绿光和总体发光强度,绿光发射强度占总体发光强度的77%。(3)在Gd2TeO6纳米晶体材料中,以(15/1)的Yb3+/Er3+浓度掺杂样品获得了最强的绿光发射强度,绿光发射强度占总体发光强度的59%。(3)基于上转换发光强度与激发功率之间的对应关系,分析不同基质的上转换能量传递机制。(1)对于Gd2O3基质来说,Yb3+/Er3+双掺体系的红绿光发射均为双光子过程,而Yb3+/Er3+/Ho3+三掺体系的红绿光发射为三光子过程。为了进一步分析Ho3+的引入对于Yb3+/Er3+双掺Gd2O3能量传递过程的影响,实验发现Gd2O3:Yb3+/Er3+/Ho3+(15/1/0.5)纳米晶在Er3+、Ho3+各自紫外特征吸收波长光的激发下,均能引起另一种稀土离子的发光发射,证明Er3+、Ho3+之间存在着能量传递过程。(2)对于碲酸盐基质(La2Te4O11/Gd2TeO6),Yb3+/Er3+双掺纳米晶材料的红绿光发射均为双光子过程。(4)基于FIR与温度的依赖关系研究了相关材料上转换发光的温度敏感特性(1)当T=573K时,Yb3+/Er3+双掺Gd2O3纳米晶相对灵敏度为0.00664 K-1,当T=348K时,Yb3+/Er3+/Ho3+三掺Gd2O3纳米晶相对灵敏度为0.00572K-1。(2)研究了La2Te4O11/Gd2TeO6纳米发光粉中激活离子Er3+的2H11/2和4S3/2热耦合能级上转换绿光FIR随温度的变化关系,分别在T=448K时获得绝对灵敏度S=0.0089K-1。在T=548K时获得绝对灵敏度S=0.0082K-1本论文研究获得的稀土离子掺杂氧化物纳米晶体材料在光学测温方面显示出良好的潜在应用价值,研究结果也为探索稀土离子掺杂氧化纳米发光材料的制备、性能以及应用提供了参考。
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