Mn2+-Yb3+离子共掺微晶玻璃的制备及其宽带上转换发光研究

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上转换发光材料是一种吸收低能量光子却能产生高能量光子发射的材料,在生物成像、固体激光器、显示照明以及太阳能电池等领域极具应用价值。随着各种半导体激光光源的迅速商用化,上转换发光材料逐渐成为当今的研究热点之一。在过去有关上转换发光材料的研究中,大多是基于稀土离子掺杂材料。稀土离子具有固定的发光峰位和狭窄的发光带宽,通常只能获得几种波长固定的上转换发光,从而限制了上转换材料在一些非常规波段的应用。过渡金属离子具有宽带发光,而且发光峰位易受环境影响,是实现宽带可调谐发光的较好选择。在过去,关于过渡金属离子的上转换发光大多是在低温下实现的。近年来,在Mn2+-Yb3+离子共掺的少数低声子能量晶体中,Mn2+离子的室温宽带上转换发光被报道出来,进而推动了宽带上转换发光材料的应用进程。相比于晶体材料,玻璃基质材料具有更好的透光性能、可加工性能以及更低的制备成本,在光纤激光器和三维显示等方面具有明显的优势。然而,到目前为止,还没有在玻璃材料中获得宽带上转换发光的报道。本文实验中,首先通过选择合适的基质,制备掺有Mn2+和Yb3+离子的前驱体玻璃,以期望在玻璃中获得 Mn2+离子的室温上转换发光。然后,通过微晶化处理制得微晶玻璃,以获得宽带上转换发光增强。最后,对发光光谱进行分析,对上转换机理与能量传递机制进行探讨。  本文实验中首先选取 Mn2+离子掺杂的氟硅酸盐玻璃体系制备前驱体玻璃,并通过热处理制备微晶玻璃。通过XRD和TEM测试分析,证明玻璃中析出了KZnF3纳米微晶。通过发光性能研究,证明Mn2+离子进入到KZnF3晶格中,从而获得Mn2+离子显著的发光增强。  为了敏化 Mn2+离子,在氟硅酸盐玻璃中掺入 Yb3+离子,并通过热处理制得微晶玻璃。通过XRD测试分析,得出玻璃中析出了KZnF3纳米微晶。在980nm激光激发下,玻璃中观测到Yb3+离子的合作上转换发光,并对发光机理进行探究。相比于前驱体玻璃,微晶玻璃中Yb3+离子的上转换发光出现显著增强,证明了Yb3+离子进入了KZnF3晶格中。  最后,将 Mn2+和 Yb3+离子同时掺入到氟硅酸盐玻璃中制得前驱体玻璃,并通过热处理制得微晶玻璃。在980nm激光激发下,玻璃中同时观测到Mn2+和Yb3+离子的上转换发光,并探讨了发光机理和能量传递机制。通过改变玻璃中 SiO2含量和 Yb3+离子掺杂浓度调整 Mn2+和 Yb3+离子的发光相对强度,从而调控玻璃中的发光,得到多色上转换发光。相比于前驱体玻璃,微晶玻璃中 Mn2+和 Yb3+离子的上转换发光均出现增强。通过控制微晶化程度,实现 Mn2+和 Yb3+离子上转换发光不同程度的增强,进一步调控玻璃中的复合发光。
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