论文摘要
本文采用非水性溶胶-凝胶工艺制备Er3+-Y3+共掺杂Al2O3粉末,通过红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）及能量分散谱（EDS）和荧光光谱等方法,系统地研究了Y3+共掺杂对掺Er3+:Al2O3粉末颗粒形貌和结构,1400-1700 nm近红外Stokes发光和500-700 nm绿、红色反Stokes（上转换）发光的影响作用规律,揭示了Y3+共掺杂对掺Er3+:Al2O3光致发光的增强机制。以异丙醇铝[Al（OC3H7）3]为前驱体,硝酸铒盐[Er（NO3）3·5H2O]为掺杂介质,在异丙醇[（CH3）2CHOH]环境下水解合成Er3+掺杂Al2O3溶胶。随H2O与Al3+摩尔比由0:1增加到5:1,掺1 mol%Er3+:Al2O3溶胶粘度由4.33 mm2/s减小到4.16 mm2/s,胶粒尺度由40nm减小到3 nm。900℃烧结不同H2O与Al3+摩尔比的掺Er3+:Al2O3溶胶,所得粉末均为γ-（Al,Er）2O3和θ-（Al,Er）2O3混合相结构,粉末颗粒尺度均约为10 nm。随H2O与Al3+摩尔比增大,粉末中羟基（-OH）含量逐渐增加,而掺Er3+:Al2O3粉末在977.3 nm激光泵浦下获得的对应于Er3+4I13/2→4I15/2跃迁过程的1530 nm波长Stokes发光强度先增强后减弱,H2O与Al3+摩尔比为2:1时粉末发光强度最强。以硝酸铒盐[Er（NO3）3·5H2O]为掺杂介质,硝酸钇盐[Y（NO3）3·5H2O]为共掺杂介质,制备H2O与Al3+摩尔比为2:1的0-20 mol%Y3+共掺杂的掺0.001-2 mol%Er3+:Al2O3溶胶。0-20 mol%Y3+共掺杂的掺1 mol%Er3+:Al2O3溶胶,粘度均约为4.18 mm2/s,胶粒尺度因Y3+共掺杂增加,10 mol%Y3+共掺杂时胶粒长大至约10 nm。900℃和1000℃烧结0-20 mol%Y3+共掺杂的掺Er3+:Al2O3粉末均为γ-（Al,Er,Y）2O3和θ-（Al,Er,Y）2O3混合相结构,1000℃烧结20 mol%Y3+共掺杂的粉末有（Y,Er）3Al2（AlO4）3化合物相析出;掺Er3+:Al2O3粉末γ和θ相非晶化程度随Y3+共掺杂浓度增加而逐渐加剧。Y3+共掺杂对掺Er3+:Al2O3粉末中-OH含量无影响,粉末颗粒尺度因Y3+共掺杂而逐渐增大,10-20 mol%Y3+共掺杂使得1000℃烧结的掺1 mol%Er3+:Al2O3粉末颗粒由约10 nm增大至约40nm。977.3 nm波长激光泵浦下,γ-和θ-（Al,Er,Y）2O3混合相结构的Er3+-Y3+共掺杂Al2O3粉末均得到了非均匀宽化的中心波长在1530 nm的Stokes发光谱,（Y,Er）3Al2（AlO4）3化合物相析出时,光谱发生劈裂。0.001 mol%超低Er3+掺杂浓度时,Y3+共掺杂对掺Er3+:Al2O3粉末发光强度没有影响;随Er3+浓度增大至0.01-2 mol%,Y3+共掺杂的掺Er3+:Al2O3粉末1530 nm波长发光强度随Y3+共掺杂浓度增加而增强。20 mol%Y3+共掺杂使得900℃和1000℃烧结的掺1 mol%Er3+:Al2O3粉末发光强度分别提高了30倍和40倍。Y3+共掺杂抑制了Er3+浓度猝灭效应,20 mol%Y3+共掺杂使掺Er3+:Al2O3粉末1530nm荧光猝灭浓度由0.1 mol%提高至1 mol%。Er3+-Y3+共掺杂Al2O3粉末Er3+的1530 nm波长荧光寿命随Y3+共掺杂浓度增加而逐渐增大,20 mol%Y3+共掺杂使900℃烧结的掺0.1 mol%和1 mol%Er3+:Al2O3荧光寿命分别由3.5 ms和3.3 ms提高至5.8 ms和4.1 ms;Er3+辐射寿命和泵浦吸收截面不因Y3+共掺杂而改变;Er3+光活度系数随Y3+共掺杂浓度增加而增大,900℃烧结的掺0.1 mol%和1 mol%Er3+:Al2O3粉末的Er3+光活度系数因20 mol%Y3+共掺杂分别提高了10倍和20倍。Y3+共掺杂通过提高Er3+光活度系数和Er3+荧光寿命实现了对掺Er3+:Al2O3粉末1530 nm波长Stokes发光的增强作用,且Er3+光活度系数的提高具有主要作用。Y3+共掺杂破坏了掺Er3+:Al2O3粉末中Er3+的微观团簇,激活了处于团簇状态的非光活性Er3+,因此提高了掺Er3+:Al2O3粉末中Er3+的光活度系数;Y3+共掺杂对Er3+荧光寿命的增强作用,归因于抑制Er3+-Er3+能量传递速率和-OH猝灭速率,从而减小了Er3+无辐射跃迁速率。Er3+-Y3+共掺杂Al2O3粉末在977.3 nm激光泵浦下发生535、553 nm绿色和670 nm红色上转换发光。（Y,Er）3Al2（AlO4）3化合物相析出时,绿、红色上转换发光谱产生劈裂。Er3+-Y3+共掺杂和Er3+掺杂Al2O3上转换发光均为双光子上转换吸收过程,绿色上转换主要为激发态吸收4I11/2+a photon→4F7/2和交叉弛豫4I11/2+4I11/2→4I15/2+4F7/2过程,红色上转换主要为4I13/2+a photon→4F9/2和4I11/2+4I13/2→4F9/2+4I15/2过程。Y3+共掺杂使得光活性Er3+数量增加的同时又抑制了Er3+交叉弛豫过程,因此随Y3+共掺杂浓度增加Er3+上转换发光强度呈现先增加后降低的变化趋势,10 mol%Y3+共掺杂时粉末发光强度最强。10mol%Y3+共掺杂使900℃和1000℃烧结的掺1 mol%Er3+:Al2O3绿色上转换发光强度分别增强了约30倍和100倍,使红色上转换发光强度分别增强了约2倍和10倍。Y3+共掺杂对Er3+上转换发光具有颜色调制作用。绿色和红色上转换发光强度比(Igreen/Ired)随Y3+共掺杂浓度增加而增大,上转换发光由红色逐渐变为绿色。结合速率方程分析了Igreen/Ired的变化规律,表明Igreen/Ired正比于4I11/2和4I13/2能级上的Er3+密度比N3/N2。Y3+共掺杂抑制了Er3+:4I11/2→4I13/2无辐射跃迁过程,导致N3/N2增大。