论文题目: 稀土掺杂氧化铝结构对光致发光特性的影响研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料表面工程
作者: 王兴军
导师: 雷明凯
关键词: 氧化铝,掺杂,稀土,光致发光,结构,溶胶凝胶法,离子注入
文献来源: 大连理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 稀土掺杂氧化铝光波导尚处于应用基础研究阶段,研究结果主要集中在光学性能方面,对于稀土掺杂氧化铝光波导材料的结构,发光机理等基础问题研究很少。本文采用铒、镱盐掺杂溶胶-凝胶工艺和铒离子注入勃姆石凝胶原位合成薄膜工艺分别制备了掺Er3+:Al2O3和Er3+,Yb3+共掺杂Al2O3,系统地研究了Er3+,Yb3+掺杂浓度和烧结温度对掺杂Al2O3结构及其光致发光特性的影响,揭示了Er3+在Al2O3基体中的发光机理,以及Yb3+在Al2O3基体中对Er3+光致发光的敏化作用。 采用铒盐掺杂溶胶.凝胶工艺制备了掺Er3+:Al2O3粉末和薄膜,研究了Er3+掺杂浓度和烧结温度对Al2O3相结构的影响。建立了掺Er3+:Al2O3粉末掺杂浓度为0-20mol%,烧结温度为550-1400℃的Er-Al-O系相组成图,体系中存在γ-（Al,Er）2O3,θ-（Al,Er）2O3,α-（Al,Er）2O3,Al10Er6O24和ErAlO3等5种相,Er3+的掺杂促进γ和θ相非晶化,随着掺杂浓度升高,非晶化趋势加剧,Er3+的掺杂使γ→θ和θ→α相变温度提高10-20℃。在热氧化的SiO2/Si（100）基体上提拉法制备掺0-1.5mol% Er3+:Al2O3薄膜,提拉速度为100mm/min,提拉9次,烧结温度为900℃时,薄膜厚度为1.2μm,薄膜表面平整,颗粒均匀,随着掺杂浓度升高,平均颗粒尺寸从30-50nm增至100-300nm。薄膜为γ-Al2O3结构,且具有（110）择优取向。 掺Er3+:Al2O3具有中心波长为1.533μm光致发光特性,掺Er3+:Al2O3的相结构对光致发光特性有显著影响。掺1mol% Er3+:Al2O3粉末,随着烧结温度由600℃增至1200℃发生γ→θ→α相变,光致发光强度相应增加。γ和θ相的光致发光谱为双峰结构,1.533μm处为主峰,1.550μm处为肩峰,α相的光致发光谱为多峰结构,除1.533μm处主峰外,还有其它尖峰。Er3+掺杂浓度由0.5mol%增至10mol%,900℃烧结的粉末为γ和少量θ相混合结构,掺杂浓度为0.5mol%和1mol%的粉末光致发光强度较强,随着掺杂浓度提高,光致发光强度显著下降。Er3+掺杂浓度为0.1-2.0mol%,烧结温度为800-1000℃,具有γ和θ相混合结构的Al2O3,有较强的光致发光强度和较宽的半峰宽,有利于制备光波导。利用群对称理论,分析了γ,θ和α相结构对应的光致发光谱。γ和θ相结晶程度较低,Er3+随机分布在O2-构成的八面体和四面体间隙,Er3+周围的环境差别较大,导致光致发光谱宽化。α相结晶程度较高,Er3+在α相中分布在O2-构成的八面体间隙,Er3+周围的环境差别较小,出现了表征Stark分裂精细结构的光致发光谱。 采用铒离子注入勃姆石凝胶原位合成了掺Er3+:Al2O3薄膜,注入能量为45keV,注入剂量为5×1015/cm2,在热氧化的SiO2/Si（100）基体上Er离子注入一次提拉获得的50nm的勃姆石干凝胶薄膜,提拉-注入4次获得的掺Er3+:γ-AlOOH干凝胶薄膜,Er的峰值浓度为10at.%,900℃烧结原位合成掺Er3+:Al2O3薄膜,Er的峰值浓度降至5at.%,在200nm厚度内分布较均匀。Er离子注入勃姆石凝胶原位合成掺Er3+:Al2O3薄膜具有较高的光致发光强度,比Er离子注入Al2O3直接形成的掺Er3+:Al2O3薄膜光致发光强度提高4倍,比采用铒盐掺杂溶胶-凝胶工艺制备的掺Er3+:Al2O3薄膜光致发光强度提高10倍,有利于制备光波导。 采用铒、镱盐共掺杂溶胶-凝胶工艺制备了0-1mol% Er3+,0-2mol%Yb3+共掺杂Al2O3粉末,Er3+,Yb3+共掺杂Al2O3具有中心波长为1.533μm的光致发光特性。随着烧
论文目录:
第一章 绪论
1．1 掺铒光波导材料研究
1．1．1 光纤通信的发展
1．1．2 掺铒光波导放大器的研发
1．1．3 掺铒光波导材料
1．2 铒离子的发光机理
1．2．1 铒离子的发光能级图
1．2．2 基体对铒离子发光的影响
1．3 铒镱共掺杂氧化铝材料研究
1．4 本论文的选题意义和目的
1．5 本论文的研究内容
第二章 稀土掺杂氧化铝粉末、薄膜制备
2．1 稀土盐掺杂的溶胶-凝胶工艺
2．1．1 溶胶-凝胶法简介
2．1．2 稀土掺杂勃姆石溶胶制备
2．1．3 稀土掺杂氧化铝粉末制备
2．1．4 稀土掺杂氧化铝薄膜制备
2．2 铒离子注入勃姆石凝胶原位合成薄膜工艺
2．2．1 离子注入法简介
2．2．2 铒离子注入勃姆石凝胶原位合成掺铒氧化铝薄膜
2．3 铒盐掺杂溶胶-凝胶工艺和铒离子注入勃姆石凝胶原位合成薄膜工艺的流程
第三章 掺铒氧化铝粉末、薄膜结构研究
3．1 分析测试方法
3．1．1 成分分析
3．1．2 结构分析
3．2 铒盐掺杂溶胶-凝胶工艺制备掺铒氧化铝粉末
3．2．1 相变过程的热化学分析
3．2．2 相结构
3．2．3 化学键结构
3．3 铒盐掺杂溶胶-凝胶工艺制备掺铒氧化铝薄膜
3．3．1 表面形貌
3．3．2 相结构
3．3．3 化学键结构
3．4 铒离子注入勃姆石凝胶原位合成掺铒氧化铝薄膜
3．4．1 表面形貌
3．4．2 铒浓度-深度分布
3．5 讨论
3．5．1 铒掺杂浓度和烧结温度对掺铒氧化铝相结构的影响
3．5．2 掺铒氧化铝薄膜的择优取向生长
3．5．3 铒盐掺杂浓度对薄膜颗粒尺寸的影响
3．6 结论
第四章 掺铒氧化铝光致发光特性研究
4．1 分析测试方法
4．2 铒盐掺杂溶胶-凝胶工艺制备掺铒氧化铝粉末光致发光谱
4．3 铒盐掺杂溶胶-凝胶工艺制备掺铒氧化铝薄膜光致发光谱
4．4 铒离子注入勃姆石凝胶原位合成掺铒氧化铝薄膜光致发光谱
4．5 讨论
4．5．1 铒盐掺杂溶胶-凝胶工艺和铒离子注入勃姆石凝胶原位合成薄膜工艺发光特性的比较
4．5．2 掺铒氧化铝基体晶体结构与能级结构的关系
4．5．3 掺铒氧化铝晶体结构与光致发光特性的关系
4．6 结论
第五章 铒镱共掺杂氧化铝结构及其光致发光特性研究
5．1 铒、镱盐共掺杂溶胶-凝胶工艺制备铒镱共掺杂氧化铝粉末相结构
5．2 铒、镱盐共掺杂溶胶-凝胶工艺制备铒镱共掺杂氧化铝粉末光致发光谱
5．3 讨论
5．3．1 铒镱共掺杂的能量传递机理
5．3．2 铒镱共掺杂增强光致发光的协同作用
5．4 结论
第六章 总结论
参考文献
创新点摘要
攻读博士学位期间发表的论文
致谢
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发布时间: 2005-07-04
参考文献
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