基于能量传递的稀土掺杂微纳米发光材料的制备及其发光特性研究

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在过去的几十年里,关于纳米发光材料特别是掺杂稀土离子的纳米发光材料研究,已经成为热门课题之一。因为稀土离子独特的4f电子层结构,使其广泛应用于高性能磁铁、发光设备、催化剂和其他功能材料等方面。稀土掺杂纳米发光材料作为一类重要的无机材料因其具有独特的光学和电学特性已经引起研究者越来越多的关注。本论文采用溶剂热法和高温固相法合成出不同体系的稀土掺杂微纳米荧光材料,并对其进行表征和发光特性研究,主要研究内容如下:1.使用一种简单的一步溶剂热法成功地合成出新型单分散BaCeF5、BaCeF5:Tb3+和BaCeF5:Tb3+/Sm3+纳米晶体。分别利用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、透射电镜(TEM)、光致发光(PL)和衰减曲线等对40nm球形纳米晶体和7580nm的八面体纳米晶进行表征。结果表明,由于Ce3+离子可以把能量传递给Tb3+离子,所以BaCeF5:Tb3+显示出很强的绿色光发射,峰值中心位于546nm,归属于5D47F5能级跃迁。Tb3+的发光衰减寿命随着浓度的增加而减少。利用猝灭浓度和光谱重叠法计算出Ce3+和Tb3+的临界能量传递距离。实验分析和理论计算表明,Ce3+和Tb3+之间的能量传递是偶极-四极相互作用占主导作用。不仅如此,在该体系中掺杂Sm3+离子后发现,在紫外光激发下,BaCeF5:Tb3+/Sm3+样品显示出典型的Tb3+离子绿色光发射带和Sm3+离子橙红色光和红色光发射带,这是因为Tb3+和Sm3+离子之间同样存在高效能量传递,这一点也可以通过荧光光谱和荧光衰减曲线来验证。另外,通过改变Sm3+离子的浓度可以很容易调节BaCeF5:Tb3+/Sm3+纳米发光材料的发射光颜色。这些实验结果表明,BaCeF5:Tb3+/Sm3+纳米晶体可以在三维显示器和白色光源等方面具有潜在的应用价值。2.利用溶剂热法成功合成出CeF3:Er3+/Yb3+和CeF3:Tm3+/Yb3+纳米片。使用X射线衍射(XRD),场发射扫描电子显微镜(FE-SEM),X射线光电子能谱(XPS)和上转换发光(UCL)对样品的晶相组成、尺寸、形貌以及光学特性进行表征与研究。在980nm激发下,CeF3:Er3+/Yb3+样品显示出蓝光(487nm)、绿光(523,546nm)和红光(654nm)发射,这是因为Yb3+离子激发态和Er3+离子激发态之间存在能量传递过程。类似地,在980nm激发下,CeF3:Tm3+/Yb3+样品显示出蓝光(450,475nm)和红光(649nm)发射,这也是由于Yb3+离子激发态与Tm3+离子激发态之间存在能量传递过程。实验结果表明,它们在光电子器件和光电应用材料方面拥有巨大潜力。3.使用高温固相法合成出一种新型、颜色可调谐的上转换发光材料GdPO4:Yb3+/Ln3+(Ln=Er, Ho,Tm)。在980nm激发下,样品发射光谱同时存在红光、绿光和蓝光发射(RGB)。通过改变掺杂稀土的浓度,可以实现从多色光到白光发射的调节,直到制备出色坐标为(0.328,0.327)的发光样品,这与白光标准色坐标(0.333,0.333)匹配得很好。这种上转换荧光粉因为具有颜色可调、发光强和亮度好等优点,因而它完全有可能应用在白光LEDs和生物荧光标记等领域。4.使用高温固相法合成出新型CaEuAl3O7荧光粉,并对其光致发光(PL)特性进行了研究。光谱结果表明,在空气中制备的CaEuAl3O7荧光粉中Eu3+离子显示红光发射,在碳粉还原气氛中制备的CaEuAl3O7样品因其部分三价铕离子被还原成二价铕离子,所以其发射光谱显示出宽带蓝光发射,发射主峰位于445nm。上述实验结果表明,在近紫外光激发下,CaEuAl3O7荧光粉可以同时发射红光和蓝光,所以它在固体照明领域具有潜在的应用前景。
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