稀土掺杂碲酸盐玻璃的制备及上转换性能研究

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碲酸盐玻璃具有声子能量低、物化性能稳定、折射率高和稀土离子溶解度高等优点,是一类性能优异的稀土发光基质材料。本文分别设计了TeO2-Al2O3-NaF-CaF2-YbF3-Er F3(FTG)和TeO2-ZnO/ZnF2-La2O3-Yb2O3-Er2O3(TZL)两种碲酸盐玻璃用于产生上转换发光,并在此基础上研究了材料的组成变化对玻璃相关性能的影响。具体的研究内容和所得结果如下:(1)采用熔融淬火法制备了一系列含有不同TeO2浓度的FTG玻璃,研究了TeO2浓度的对FTG玻璃性能影响。对这些玻璃的密度、折射率、热性能进行了表征。利用拉曼光谱和红外光谱技术对玻璃的网络结构进行研究。随后测试了玻璃的吸收光谱,并结合J-O理论拟合了玻璃的J-O强度参数,估算了玻璃中Er3+离子相关能级的自发辐射跃迁几率、辐射寿命和荧光分支比。在980 nm激光激发下,研究了玻璃的上转换发光性能,并基于FIR技术评估了FTG玻璃的光学温度传感性能。结果显示,FTG系列玻璃具有良好的光学温度传感性能,其中一种成分的FTG玻璃的相对灵敏度为1098/T~2,在T=548 K时,其最大绝对灵敏度可达7.83×10-3 K-1,说明FTG玻璃是一种潜在的光学玻璃温度传感器材料。(2)根据FTG玻璃的热性能,制定了合理的热处理方案,采用两步热处理法将FTG玻璃制备成透明的玻璃陶瓷,研究了玻璃陶瓷的上转换发光和光学温度传感性能。采用XRD、TEM和光谱学技术对玻璃陶瓷进行了结构和光学性能表征。XRD证实了玻璃中的析出相为单一的NaYb2F7晶体。TEM图片显示玻璃陶瓷中的NaYb2F7纳米晶粒均匀分布在残余的玻璃基体中,平均尺寸约为6 nm。在980 nm的近红外激发下,玻璃陶瓷在可见光范围有强烈的上转换发光,综合发光强度比前驱体玻璃提高了约73%。最后测试了玻璃陶瓷在323 K~548 K范围内的上转换光谱,基于FIR技术评估了它的光学温度传感性能。结果显示,玻璃陶瓷的相对灵敏度为1155/T~2,在T=573 K时的绝对灵敏度为7.56×10-3 K-1,证明玻璃陶瓷具有良好的光学温度传感性能。(3)采用熔融淬火法制备了一系列含有不同氟元素浓度的TZL玻璃,研究了氟元素浓度对TZL玻璃性能的影响。对玻璃的密度、折射率、热性能进行了表征。利用拉曼光谱对玻璃的网络结构进行研究。测试了玻璃的吸收光谱,并利用吸收光谱和J-O理论拟合了玻璃的J-O强度参数,进一步估算了Er3+离子相关能级的自发辐射跃迁几率、辐射寿命和荧光分支比。采用980 nm半导体激光器作为泵浦光源,研究了玻璃的上转换发光性能和荧光动力学曲线。根据上转换发光强度和泵浦功率之间的联系,并结合荧光动力学曲线推测出玻璃中可能存在的上转换发光机理。测试了玻璃的变温上转换发光光谱(323 K~548 K),基于FIR技术评估了玻璃的光学温度传感性能。结果显示,TZL玻璃的上转换发光强度随着氟元素浓度的增大而增强,其最大绝对灵敏度在T=548 K时可达到5.75×10-3 K-1,相对灵敏度为1067/T~2。本文所制备的碲酸盐玻璃和玻璃陶瓷都具有良好的上转换发光性能和光学温度传感性能,这些材料在温度传感器、显示器和太阳能电池光谱聚集器和等领域都有潜在的应用价值,研究结果也为碲酸盐玻璃的成分设计、陶瓷化等问题上提供了一定的参考价值。
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