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稀土掺杂ZnO粉末的上转换发光研究

【摘要】: 近年来,由于其在红外探测、三维显示、海底通讯、生物标签等方面的广泛应用,上转换发光材料引起了广大研究者的密切关注。在上转换发光材料的研究中,基质材料的选取是一个重要因素。目前常用的一些发光性能较好的材料在化学稳定性、机械强度及热稳定性方面还有一些问题有待解决,这就给实际应用带来了很多困难。因此寻找声子能量低、转换效率高、物理化学性能俱佳的新型基质材料成为上转换发光材料研究中一个热点。作为一种重要的光电与压电相结合的直接带隙宽禁带半导体材料,ZnO以其优异的物理化学稳定性、较低的声子频率(437cm-1)在上转换发光基质材料的应用上有着广阔的前景。基于这样的研究背景,本论文分别采用高温氧化法和化学燃烧法合成了以ZnO为基质的稀土离子共掺杂上转换发光材料,结合Raman光谱、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)以及荧光光谱等实验结果对其上转换发光特性和发光机理进行了分析,探讨了掺杂方式、成分以及组织结构对上转换发光效率的影响。我们的研究工作取得了一些很有意义的结果,主要内容如下: 1、分别通过高温氧化法和化学燃烧法制备了稀土离子共掺杂ZnO粉末。XRD、SEM以及Raman光谱等实验结果表明稀土离子掺入到了ZnO基质晶格中,且回火后ZnO晶体的粒径增大,结晶度变好,发光强度显著增加。 2、用两种方法制备的Er~(3+)/Yb~(3+)共掺杂ZnO粉末在980nm半导体激光激发下都观察到了强烈的红色上转换荧光发射。其中,燃烧法制备的样品的红光发射强度占到了总强度的94.1%。相比于高温氧化法制备的样品,其色纯度得到了大大的提高。 3、在980nm半导体激光激发下,通过化学燃烧法制备的Ho~(3+)/Yb~(3+)共掺和Tm~(3+)/Yb~(3+)共掺ZnO粉末的发光分别以绿色(552nm)和蓝色(477nm)上转换荧光为主,且发光强度均随着Yb~(3+)/RE~(3+)(RE~(3+)= Ho~(3+),Tm~(3+))浓度比的增大而增强。 4、在488nm氩离子激光激发下,高温氧化法制备的Er~(3+)/Yb~(3+)共掺杂ZnO粉末产生了较强的紫色上转换发光,发光强度随激发功率的变化关系表明其为双光子过程,主要是通过Er~(3+)-Yb~(3+)-Er~(3+)之间正向和反向的能量传递来实现的。 我们的研究表明了ZnO作为基质材料将在未来的上转换红色荧光粉和紫外激光材料上有着潜在的应用价值。

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