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稀土离子掺杂的硅酸盐与氯氧化钆粉末的制备及发光性质表征

【摘要】: 本论文由三章组成,第一章介绍了稀土发光材料的研究背景;第二章是关于稀土离子掺杂(Ce~(3+),Tb~(3+),Eu~(3+))的Ln_2Si_2O_7(Ln=Lu,Gd,Y)的制备和发光性质研究;第三章是关于稀土离子掺杂的GdOCl材料的制备和上转换发光的研究。 第一章首先给出稀土发光材料的研究热点,然后着重讨论了发光的基本原理和三价稀土离子的发光特性,并介绍了制备发光材料的几种方法。 在论文的第二章中,首先介绍了稀土硅酸盐发光材料的研究进展;然后详细讨论了Ce~(3+),Tb~(3+),Eu~(3+)掺杂的Lu_2Si_2O_7、Y_2Si_2O_7、Gd_2Si_2O_7的制备、表征和发光性质。 利用溶胶凝胶法制备稀土离子(Ce~(3+),Tb~(3+),Eu~(3+))掺杂的Lu_2Si_2O_7、Y_2Si_2O_7、Gd_2Si_2O_7纳米粉末,然后用多种手段表征了Ln_2Si_2O_7的物相和结构,对样品的合成温度和掺杂离子的浓度对结构的影响也进行了研究。结果表明,在1100℃合成温度下,Lu_2Si_2O_7成β相,在1000℃合成温度下成α相。而且掺杂浓度对合成产物的结构也有影响,Lu_2Si_2O_7的β相在掺杂浓度较高时转变成了α相。但是类似的掺杂离子的浓度影响产物结构的现象并没有在Y_2Si_2O_7、Gd_2Si_2O_7粉末的制备中看到。1000℃合成温度下,Y_2Si_2O_7、Gd_2Si_2O_7均成α相。 稀土离子(Ce~(3+),Tb~(3+),Eu~(3+))掺杂的Lu_2Si_2O_7、Y_2Si_2O_7、Gd_2Si_2O_7纳米粉末在室温下的激发和发射谱利用同步辐射光源的设备测得。光谱分析表明:Ce~(3+),Tb~(3+)离子掺杂的各种基质样品的激发谱均观察到了基质吸收,各自的4f-5d跃迁吸收带。掺Eu~(3+)的样品中除了有基质吸收还观察到4f-4f组态内跃迁吸收和电荷迁移态Eu~(3+).O~(2-)吸收。还进行了Gd_2Si_2O_7:Eu~(3+)发光动力学研究,发现衰减时间随着Eu~(3+)浓度的增大而缩短,随样品合成温度的上升而增大。 Ce~(3+)到Tb~(3+)的能量传递在Ce~(3+),Tb~(3+)双掺的各种基质样品中存在。在Ce~(3+),Tb~(3+)双掺的Gd_2Si_2O_7基质样品中除了Ce~(3+)到Tb~(3+)的能量传递之外还观察到了Gd~(3+)→Tb~(3+),Gd~(3+)→Ce~(3+)和Tb~(3+)→Ce~(3+)的能量传递。Tb~(3+)→Ce~(3+)的能量传递是通过Gd~(3+)离子来进行的。 第三章研究了各种稀土离子掺杂的GdOCl粉末的上转换发光,首先介绍了上转换发光的应用,研究历史和研究进展,然后讨论了各种上转换发光基质和发光离子,讨论了上转换发光的影响因素。 利用固相法制备了稀土离子掺杂的GdOCl粉末,用X-射线衍射,扫描电镜和拉曼光谱对其结构和形貌进行了表征。结果表明,粉末呈片状,粒径大约为1um,厚度约为250nm。拉曼光谱分析表明GdOCl基质的声子截止频率小于510cm~(-1)。 研究了Er~(3+)掺杂的GdOCl粉末在980nm和514.5nm激发下的上转换光谱。在980nm激发下,观察到绿色和红色上转换可见光。上转换发光峰的强度随激发功率的关系表明上转换过程是双光子过程。另外观察到了红绿光强度的比值随掺杂浓度的增加而增大的现象。在514.5nm激发下,在GdOCl:Er样品中观察到了蓝色上转换,通过对上转换发光的激发光功率和Er~(3+)离子浓度的依赖关系的研究,分析了具体的上转换发光机制。激发态吸收和能量传递是可能的上转换机制。 Yb~(3+)的掺杂能增强GdOCl:Er~(3+)的上转换的发光强度,而且观察到红光绿光强度的比值随Yb~(3+)掺杂浓度的升高而增加的现象,分析了具体的上转换发光机制。另外观察到了在980nm激发下的Tm~(3+)-Yb~(3+),Ho~(3+)-Yb~(3+),Tb~(3+)-Yb~(3+),Pr~(3+)-Yb~(3+)的各种上转换发光,并分析了其中的上转换机制。

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