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Ag~+掺杂Bi_2WO_6:Yb~(3+),Tm~(3+)反蛋白石光子晶体的制备与光学性能的研究

【摘要】:随着科学技术的发展,研究者们依据电子的特性成功制造半导体材料后,为了实现像操控电子一样操控光子,人们开始探究光子的性能。人们在研究中发现光子之间没有相互作用且光子传输速度比电子传输速度更快,因此,光子成为人们20世纪研究的热点之一。经研究发现,可以利用光子晶体(又称“光半导体”)操控光子的传播路径。光子晶体是指具有周期性结构的光学材料,这种周期性结构叫作光子带隙,处在光子带隙附近的光子会局域在材料中禁止传播。人工蛋白石光子晶体的周期性结构与天然蛋白石光子晶体相同,在人工蛋白石缝隙中填入某种材料,采用物理化学方法去除蛋白石后,可得到反蛋白石光子晶体。本文研究了聚苯乙烯(PS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)两种蛋白石光子晶体,两者都采用乳液聚合法进行制备,在毛细力与重力的作用下排列出有序的三维光子晶体。采用水热法和溶胶-凝胶法(Sol-Gel)制备Ag~+与Yb~(3+),Tm~(3+)共掺Bi_2WO_6上转换发光材料。利用Sol-Gel方法制备的Ag~+与Yb~(3+),Tm~(3+)共掺Bi_2WO_6前驱体溶胶填入PMMA蛋白石,经高温煅烧后,得到Bi_2WO_6的反蛋白石光子晶体。利用XRD、UV-3600(分光光度计)、SEM和XPS等对样品进行表征与分析。(1)采用垂直沉积法制备的PS与PMMA蛋白石光子晶体透光性良好,呈面心立方结构。(2)水热法制备Ag~+掺杂Bi_2WO_6:3%Yb~(3+),1%Tm~(3+)SEM下可见样品呈花球状。Ag~+与Yb~(3+),Tm~(3+)的掺入,没有改变Bi_2WO_6的晶相。采用980nm激光器,在相同功率下测量Ag~+浓度为0.1%、0.3%和0.5%的Yb~(3+),Tm~(3+)掺杂Bi_2WO_6的上转换发光,发现0.3%Ag~+与3%Yb~(3+),1%Tm~(3+)共掺Bi_2WO_6上转换发光最强。(3)Sol-Gel方法制备0.5%Ag~+掺杂Bi_2WO_6:6%Yb~(3+),1%Tm~(3+)样品呈碎石状。Ag元素以Ag~+的形式存在于Bi_2WO_6纳米粉中,加入0.5%Ag~+的Bi_2WO_6:Yb~(3+),Tm~(3+)特征峰位置与Bi_2WO_6标准卡片一致。水热法制备钨酸铋的粒径较大,难以填入蛋白石,因此构建反蛋白石时,采用溶胶-凝胶法制备的钨酸铋为前驱体。(4)在980nm红外激光器激发下,以带隙位置在1045nm和1321nm的PMMA蛋白石为模板,制备0.5%Ag~+掺杂Bi_2WO_6:6%Yb~(3+),1%Tm~(3+)反蛋白石样品记为IOPC1和IOPC3,制备Bi_2WO_6:6%Yb~(3+),1%Tm~(3+)反蛋白石样品记为IOPC2和IOPC4,两种微球混合后制备的无序样品记为REF。IOPC1~IOPC4与REF样品在487nm、525nm、545nm、657nm与671nm均有发光峰,对应的能级跃迁分别为~1D_2→~3H_6,~1D_2→~3F_4,~1G_4→~3H_6,~1G_4→~3F_4和~3F_2→~3H_6。发光过程中存在交叉驰豫的能量传递过程,即~1G_4+~3H_4→~3F_4+~1D_2和~1G_4+~3H_6→~3H_5+~3H_4。(5)IOPC1和REF上转换发光表明,铥离子发光峰位置与反蛋白石光子带隙位置重叠时,发光受到明显抑制;IOPC2和REF上转换发光表明,铥离子发光峰位置处于光子带隙位置边缘时,发光显著增强。IOPC1和IOPC2,IOPC3和IOPC4两组发光图谱表明,掺入银离子的反蛋白石,在525nm、545nm、657nm与671nm位置的发光峰得到明显增强,说明银离子参与了稀土离子之间的能量传递过程。

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