稀土掺杂(YLaZr)2O3粉体制备及2μm发光性能研究

来源 :中国计量大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lansekafei4271
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近年来,2μm激光因在医疗、环保、光通讯和国防等领域的广泛应用而得到了大量的关注。本论文采用柠檬酸盐法制备出稀土离子掺杂的(YLaZr)2O3为基质的陶瓷粉体,对粉体的形成过程、物相变化、微观形貌以及发光性能进行了探讨,为今后制备2μm的激光Y2O3透明陶瓷做准备。主要的研究成果如下:  (1)通过在(YLaZr)2O3粉体中添加 0~2.5 mol%Tm3+与 0~10 mol%的Yb3+,探讨了Tm3+离子与 Yb3+离子浓度对粉体结构及发光性能的影响。结果发现,所有的 Tm3+离子与 Yb3+离子都已固溶进 Y2O3晶格中。单掺时,Tm3+在 1500~2200 nm波长范围均有发光,其中 1930 nm处发射峰最强,对应的是 Tm:3F4→3H6能级跃迁。Tm3+离子最佳掺杂浓度为 2 mol%,;在此基础上加入 Yb3+离子后,粉体发光强度有所增强,Yb3+/Tm3+共掺时的最佳掺杂浓度分别 1 mol%和 2 mol%,其能量传递过程主要是 Yb3+吸收泵浦能量后,发生 2F7/2→2F5/2能级跃迁,然后 Yb:2F5/2能级上的能量传递给Tm:3H5,位于 Tm:3H5能级上的离子无辐射跃迁到 3F4,最后 Tm:3F4→3H6能级跃迁得到 1.93 μm发光。  (2)分别制备了 Ho3+与不同敏化剂离子(Yb3+、Tm3+、Er3+)共同掺杂(YLaZr)2O3的粉体,探讨了 Ho3+离子与敏化剂离子浓度对粉体结构及发光性能的影响。结果发现,2 mol%以下浓度的 Ho3+离子均能固溶进 Y2O3晶格中,Yb3+离子的固溶极限要大于 15 mol%,Tm3+离子的固溶极限要大于3 mol%,Er3+离子的固溶极限要大于 2.5 mol%。Yb3+/Ho3+共掺时,Ho3+在 1800~2200 nm 波长范围均有发光,中心波长为 2015nm,对应于Ho3+:5I7→5I8能级跃迁。Yb3+离子能明显增强 Ho3+离子的荧光强度,Yb3+和Ho3+离子的最佳浓度分别为 8 mol%和 1 mol%,这主要是通过 Yb3+:2F5/2与Ho3+:5I6之间进行了能量传递后实现Ho3+离子发光的。Tm3+/Ho3+共掺时,发光波段为 1500~2200 nm , Ho3+的中心波长为 2015 nm ,对应于Ho3+:5I7→5I8能级跃迁。Tm3+离子在实现自身发光的同时还与 Ho3+进行了有效的能量传递,但是 Ho3+离子掺入后,Tm3+离子自身发光会受到抑制,Tm3+/Ho3+离子之间的最佳掺杂浓度分别为 1.5 mol%和 1 mol%,这主要是通过 Tm:3F4与 Ho3+:5I7之间进行了能量传递后实现 Ho3+离子发光的。Er3+/Ho3+共掺时,Er3+/Ho3+离子之间可进行有效的能量传递,并且 Ho3+离子可抑制 Er3+离子在 1.5 μm处的荧光,即降低 Er3+:4I13/2能级的粒子数,从而增强其2μm处发光,Er3+/Ho3+离子之间的最佳掺杂浓度分别为2 mol%和1 mol%,这主要是通过 Er3+:4I13/2与 Ho3+:5I7之间进行了能量传递后实现Ho3+离子发光的。  (3)通过在(YLaZr)2O3粉体中添加 0.5~3 mol%的 Er3+与 0~15 mol%的Yb3+,探讨了 Er3+离子与 Yb3+离子浓度对粉体结构及发光性能的影响。结果发现,所有的 Er3+离子与 Yb3+离子都已固溶进 Y2O3晶格中,均未达到离子的固溶极限。单掺时,Er3+在 1500~1700 nm波长范围均有发光,其中 1542 nm处发射峰最强,对应的是 Er3+:4I13/2→4I15/2能级跃迁。Er3+离子的最佳掺杂浓度为 2 mol%,在此基础上加入 Yb3+离子后,粉体发光强度有所增强,发光范围不变。两者的最佳掺杂浓度分别 3 mol%和 2 mol%,传递机理主要是 Yb3+:2F5/2和 Er3+:4I11/2能量共振,使得通过能量传递实现了Er3+离子的 1.54 μm发光。  (4)研究了 La2O3和 ZrO2的含量变化对粉体发光强度的影响。La2O3的加入会引起晶格膨胀,ZrO2的加入会引起晶格收缩。La2O3和ZrO2的添加降低了 Ho3+/Yb3+的 2.1μm发光。适量的 ZrO2有助于 Er3+离子的 1.5μm发光,Zr4+离子最佳掺杂浓度为 3 mol%,而La2O3具有抑制 Er3+离子的 1.5μm发光的作用。
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