Er3+离子掺杂高F-含量SiO2-PbF2基玻璃陶瓷上转换发光性质研究

论文摘要

近年来,由于在红外探测、三维显示、海底通讯、生物标签等领域的应用,稀土离子掺杂的频率上转换发光材料得到了广泛的研究。其中稀土离子掺杂的重金属氟氧化物玻璃陶瓷更是引起了研究者的广泛重视。通过调整组分和热处理条件,实现氟化物析晶可控以及稀土离子在析出纳米晶中重掺的目的,从而综合氟化物晶体低声子能量和氧化物玻璃高机械强度和稳定性的优点。本文采用高温烧结法制备了Er3+掺杂的SiO2-PbF2-PbO透明玻璃和玻璃陶瓷样品,并测试了样品的氟浓度、差热分析（DSC）、X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、上转换光谱、吸收谱和衰减谱等。详细讨论了反应过程中不同制备工艺参数对氟损失的影响以及氟含量对玻璃的热性质和玻璃陶瓷的光谱性质的影响。分析了晶体生长过程中Er3+离子进入已经形成的晶体的过程。希望通过制备工艺的改进及退火过程的控制实现玻璃陶瓷发光性质的优化。首先制备了初始摩尔组分为50SiO2–xPbF2–（50-x）PbO–1ErF3（x=20、25、30、35、40）的玻璃和玻璃陶瓷样品。研究了烧结过程中不同的初始组分和烧结时间对氟损失的影响以及不同的氟含量对样品光谱性质的影响。结果显示常规的烧结过程有大量的氟损失,且氟损失随初始氟含量的增加和烧结时间的增加而增加。氟含量的增加导致了样品的玻璃转变温度的降低以及相应玻璃陶瓷的上转换发光强度的增强。在上述基础上采取将坩埚加盖的方法继续增加样品中的氟含量,制备了高氟含量的样品。测试的结果显示与低氟含量的先驱样品为非晶态不同,高氟含量的先驱样品中出现了β- PbF2结晶,结晶为球形且颗粒尺寸大约在10-15nm。并且高氟含量的未退火样品中Er3+存在于玻璃基质和PbF2结晶的混合相中。退火后玻璃基质中的Er3+进入了PbF2微晶中,显示了比退火前强的上转换发光强度。然而当初始的PbF2含量增大到55mol%时,样品发生旋节分解,没有观察到氟化物微晶的形成。最后研究了高氟含量的玻璃陶瓷退火过程中Er3+环境的改变。结果表明,虽然XRD显示在高氟含量的先驱样品中已经有PbF2结晶沉积,然而大部分的Er3+离子仍然存在于玻璃相中。随着热处理时间的逐渐增加,玻璃相中的Er3+逐渐进入到氟化物纳米晶体中。当热处理时间增加到15min时,几乎所有的Er3+都进入到氟化物纳米晶体中。基于实验分析,我们认为退火过程中Er3+不仅能够作为晶核剂促进氟化物结晶,而且能在晶体生长过程中掺入纳米晶体中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 稀土元素概述
• 1.2 稀土元素电子结构和光谱学性质
• 1.3 稀土上转换发光材料
• 1.3.1 上转换发光的发展简介
• 1.3.2 上转换发光机理
• 1.3.3 稀土上转换发光材料的种类
• 1.4 Judd-Ofelt 理论
• 1.5 本文的选题背景和研究内容
• 1.5.1 选题背景
• 1.5.2 本论文的研究内容
• 第2章 样品制备与分析测试
• 2.1 实验的化学试剂和主要设备
• 2.1.1 实验的化学试剂
• 2.1.2 实验的主要设备
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 玻璃样品的制备
• 2.2.2 玻璃陶瓷样品的制备
• 2.2.3 测试样品的制备
• 2.2.4 氟离子浓度的测定
• 2.3 测试分析方法
• 2.3.1 密度的测定
• 2.3.2 DSC 测试
• 2.3.3 XRD 测试
• 2.3.4 TEM 表征
• 2.3.5 吸收光谱
• 2.3.6 激光激发荧光光谱
• 2.3.7 荧光衰减谱
• 3+掺杂透明氟氧化物硅酸盐玻璃和玻璃陶瓷的氟损失以及光谱性质'>第3章 Er³⁺掺杂透明氟氧化物硅酸盐玻璃和玻璃陶瓷的氟损失以及光谱性质
• 3.1 引言
• 3.2 样品制备
• 3.3 制备条件对氟含量的影响
• 2 含量的关系'>3.3.1 氟损失与初始组分中PbF₂含量的关系
• 3.3.2 氟损失与烧结时间的关系
• 3.4 低氟浓度样品的微观结构以及氟含量对样品热性质的影响
• 3.4.1 低浓度样品的微观结构
• 3.4.2 不同氟含量对样品热性质的影响
• 3.5 不同氟含量的样品的光谱性质
• 3.5.1 吸收光谱与J-O 参数
• 3.5.2 上转换荧光光谱
• 3.6 本章小结
• 3+掺杂高PbF2浓度的透明氟氧化物玻璃陶瓷的结晶和上转换发光性质'>第4章 Er³⁺掺杂高PbF2浓度的透明氟氧化物玻璃陶瓷的结晶和上转换发光性质
• 4.1 引言
• 4.2 样品制备
• 4.3 加盖对样品氟含量的影响
• 4.4 高氟浓度样品的微观结构
• 4.5 高氟浓度样品的光谱性质
• 4.5.1 吸收光谱与J-O 参数
• 4.5.2 上转换荧光光谱
• 4.6 本章小结
• 3+掺杂氟氧化物硅酸盐玻璃陶瓷晶体生长过程中Er³⁺的再进入过程'>第5章 Er³⁺掺杂氟氧化物硅酸盐玻璃陶瓷晶体生长过程中Er³⁺的再进入过程
• 5.1 引言
• 5.2 样品制备
• 5.3 高氟浓度的样品退火过程中结晶的变化
• 5.4 高氟浓度的样品退火过程中的光谱性质
• 5.4.1 吸收光谱与J-O 参数
• 5.4.2 荧光衰减曲线和能级寿命
• 5.4.3 上转换荧光光谱
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文