离子共掺对稀土掺杂纳米晶体荧光效应的影响

论文摘要

稀土掺杂纳米晶体是近年来发展起来的一种新型的发光材料。它同时具备了纳米材料和稀土离子的共同优点,在发光材料中占据着举足轻重的地位。本论文采用水热法制备了Eu3+/Tm3+:LaF3/LaOF纳米晶体和Eu3+,Pr3+单掺和共掺的LaF3和LaOF纳米晶体；应用激光光谱学技术研究了掺杂LaF3/LaOF纳米晶体的荧光发射性质,分析了纳米晶体基质性质、掺杂离子的局域环境、以及掺杂离子的性质和能级结构等因素对荧光发射性质的影响。主要内容分为以下三个部分：第一部分介绍了在水热法的基础上,利用水热-烧结法制备四方相结构的Eu3+,Tm3+单掺和共掺的LaOF, LaF3纳米晶体以及Eu3+,Pr3+单掺和共掺的LaOF, LaF3纳米晶体。第二部分研究讨论氟化物纳米晶体中由于离子共掺杂所引发的局域环境和对称性的变化,以及由此产生的共掺Tm3+离子对Eu3+离子的荧光增强效应。第三部分从掺杂离子的能级结构、性质、以及纳米晶体基质的对称性变化等因素出发,探讨了基质变化和离子共掺条件下掺杂稀土离子的荧光发射特性。第一部分：四方相结构的LaOF:Eu3+/Tm3+; LaOF:Eu3+; LaOF:Tm3+; LaOF:Pr3+;LaOF:Eu3+/Pr3+纳米晶体的水热-烧结法合成及其表征应用水热-烧结法合成了具有四方相结构的LaOF:Ln3+纳米晶体。与已有的四方相结构的LaOF纳米晶体的合成技术相比较,该方法具有制作过程简单,制备条件要求低等优点。对于四方相结构的LaOF:Eu3+/Tm3+纳米晶体,当Eu3+的浓度为1.0 mol%时,发现其最强的红色荧光发射所对应的共掺Tm3+的最佳掺杂浓度为0.5m0l%。第二部分：掺杂离子局域环境和对称性变化对LaOF:Eu3+/Tm3+纳米晶体中Eu3+的荧光发射性质的影响采用激光光谱学的方法,分别研究了四方相结构的LaOF:Eu3+和LaOF:Eu3+/Tm3+中Eu3+的荧光发射。在532 nm的连续和脉冲激光激发下,观察到了源于Eu3+的5D1和5D0两个激发态的各个荧光辐射。其中共掺纳米晶体中Eu3+的5D0→7F2的受迫电偶极辐射跃迁对应的红色荧光发射强度明显的高于单掺纳米晶体中Eu3+所对应的荧光发射强度,其原因是由于Tm3+的掺入取代了LaOF中部分的Eu3+和La3+,使得Eu3+离子近邻某些方向上的键长因Tm3+的掺入而发生变化；同时离子间的相互作用也由La3+和Eu3+之间的作用变为La3+、Eu3+以及Tm3+之间的作用,这些变化均在一定程度上增加了Eu3+局域环境的不对称性,使Eu3+离子的f-f跃迁禁阻进一步被解除,从而Eu3+的红色荧光辐射强度得到大幅度地增强。第三部分：基质结构以及激发光波长变化对LaF3/LaOF:Ln3+（Ln3+= Eu3+, Pr3*, Tm3+）荧光发射的影响基质结构的改变为掺杂稀土发光离子提供了不同的局域环境,从而为改变和影响掺杂离子的荧光发射性质提供了条件。该部分采用激光光谱学的方法,在532nm，442 nm以及355 nm的激光激发下,研究了基质结构变化对于氟化物纳米晶体中的掺杂稀土Eu3+,Pr3+和Tm3+的荧光发射特性的影响规律以及同一基质中单掺和共掺稀土离子的荧光发射特性。依据掺杂离子的能级结构、性质、以及纳米晶体基质的对称性变化等因素,对所观测到的实验现象进行了分析研究,探讨了基质结构变化和离子再组合时,其掺杂共存离子的荧光发射特性。结果发现：当Pr3+和Tm3+分别与Eu3+共掺时,其红色荧光的辐射强度以及色纯度得到了一定的改善。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 稀土发光材料
• 1.2.1 稀土离子及其电子组态
• 1.2.2 稀土掺杂发光材料
• 1.3 稀土掺杂纳米发光材料
• 1.3.1 掺杂纳米发光材料
• 1.3.2 稀土掺杂纳米发光材料的研究进展
• 1.4 稀土掺杂纳米发光材料的光谱学研究及发展趋势
• 1.5 稀土掺杂纳米发光材料的发光机理及其基质选择
• 1.5.1 纳米晶体中的离子共掺效应及发光动力学研究
• 1.6 本论文研究的目的、内容和创新点
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 主要研究内容
• 1.6.3 创新点
• 第2章 样品制作
• 2.1 引言
• 2.2 掺杂纳米晶体的制备方法
• 2.3 纳米颗粒的水热法制备
• 2.4 结论及其表征
• 第3章 荧光光谱测量
• 3.1 光谱测量的原理与技术
• 3.1.1 光谱的频率域测量
• 3.1.2 光谱的时间域测量
• 3.2 实验设计与注意事项
• 3+对Eu³⁺的荧光增强效应'>第4章 氟化物纳米晶体中Tm³⁺对Eu³⁺的荧光增强效应
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 样品制备
• 4.2.2 荧光光谱测量
• 4.3 结果与讨论
• 3+离子及其浓度变化对Eu³⁺离子荧光发射的影响'>4.3.1 Tm³⁺离子及其浓度变化对Eu³⁺离子荧光发射的影响
• 3+/Tm³⁺中Eu³⁺荧光发射的影响'>4.3.2 颗粒大小对LaOF:Eu³⁺/Tm³⁺中Eu³⁺荧光发射的影响
• 4.4 结论
• 第5章 基质变化对单掺稀土离子纳米晶体荧光特性的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 样品制备
• 5.2.2 荧光光谱测量
• 5.3 结果与讨论
• 3+单掺LaF3和LaOF纳米晶体的发光特性'>5.3.1 Eu³⁺单掺LaF3和LaOF纳米晶体的发光特性
• 3+单掺LaF₃和LaOF纳米晶体的发光特性'>5.3.2 Pr³⁺单掺LaF₃和LaOF纳米晶体的发光特性
• 3+单掺LaF₃和LaOF纳米晶体的发光特性'>5.3.3 Tm³⁺单掺LaF₃和LaOF纳米晶体的发光特性
• 5.4 结论
• 第6章 共掺稀土离子的纳米晶体的发光特性研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验
• 6.2.1 样品制备
• 6.2.2 荧光光谱测量
• 6.3 结果与讨论
• 3+、Eu³⁺共掺的LaF₃和LaOF纳米晶体的发光特性'>6.3.1 Pr³⁺、Eu³⁺共掺的LaF₃和LaOF纳米晶体的发光特性
• 3+、Eu³⁺共掺的LaF₃和LaOF纳米晶体的发光特性'>6.3.2 Tm³⁺、Eu³⁺共掺的LaF₃和LaOF纳米晶体的发光特性
• 6.4 结论
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果