上转换荧光材料可以把长波长、低能量的红外光转化为短波长、高能量的可见光,在激光器、生物标记、结构探针、显示器、红外量子计数器以及指示灯等领域有着广泛的应用;铁电材料同时具有铁电、压电、热释电以及电光等性能,在非易失性存储器、压电微传感器和执行器、以及热释电器件等领域具有重要应用价值。本文设计并制备了几种钛酸铋(BiT)基新型功能材料,它们不仅具有强的上转换荧光性能,而且同时具有优良的铁电、介电性质。我们把具有这种复合功能的薄膜称为上转换荧光铁电薄膜。它们在荧光或铁电各自的领域中有着良好的应用前景,更重要的是为光电集成,尤其是上转换荧光显示器和非易失性存储器的集成提供重要的材料基础。此外,也为探索铁电极化和荧光电子跃迁之间的联系提供重要的研究对象。 　　本文采用化学溶液沉积法制备出Er3+、Er3+/Yb3+、Tm3+/Yb3+、Er3+/Tm3+/yb3+、Er3+/Yb3+/W6+、Tm3+/Yb3+/W6+和Er3+/Tm3+/Yb3+/W6+掺杂的钛酸铋薄膜,并系统地研究了热处理温度和掺杂浓度对薄膜物相结构、荧光性能、光学透射率以及铁电、介电性能的影响。研究结果显示: 　　(1)在980 nm红外光源激发下,单掺Er3+的钛酸铋(BERT)薄膜的上转换荧光发射谱主要包含以527 nm、548 nm为中心波长的绿光发射带和以663 nm为中心波长的红光发射带,它们分别对应Er3+离子的2Hl11/2、4S3/2、4F9/2能级向4I15/2能级的跃迁。在550～750℃热处理温度下制备的BErT薄膜为纯净的钛酸铋相。700℃为获得荧光性能的最佳热处理温度。Er主要占据BiT晶格结构中Bi3+位,以三价的Er3+为主。Er3+的掺杂浓度对上转换荧光强度有重要影响,当Er3+离子浓度达到mol 20％时绿光开始发生荧光淬灭。不同Er3+掺杂浓度的样品具有不同的上转换荧光机制,Er3+掺杂浓度较低时属于连续激发态吸收(ESA),Er3+掺杂浓度较高时属于能量传递的上转换(ETIJ)。BErT薄膜具有较高的可见光和近红外光透射率,禁带宽度Eg约为3.61 eV。BErT薄膜具有较BiT薄膜更好的铁电性能,剩余极化值(Pr)可以达到16/μC/cm2。 　　(2)BEYT薄膜具有与BErT薄膜相同的上转换发射峰位,然而Yb3+在BiT基质中作为敏化剂能够更有效地吸收和传递能量,增强Er3+的上转换荧光。在BEYT薄膜中,通过改变Er3+和Vb3+的浓度可以有效地调节红、绿光的相对强度,Bi3.79Er0.03Yb0.18Ti3O12薄膜具有最有效的绿光发射。这种薄膜的上转换过程属于双光子的ETU机制。BEYT薄膜的剩余极化值也高于BiT薄膜。 　　(3)在980 nm红外光源激发下,在Tm3+/Yb3+共掺杂钛酸铋(BTYT)薄膜的上转换光谱中观察到一个以480 nm为中心的强蓝光发射带和一个以650nm为中心的弱红光发射带。这两个发射带分别对应Tm3+的1G4能级向3H6和3F4能级的辐射跃迁。Tm3+、Yb3+离子浓度对BTYT薄膜的上转换红、蓝光的绝对强度影响很大,但对它们的相对强度几乎无影响。在所制备的BTYT薄膜中,Bi3.79Tm0.01Yb0.2Ti3O12薄膜的上转换荧光强度最大,可以用肉眼直接观察到样品表面明亮的蓝色光斑。这种荧光属于三光子的能量传递上转换(ETU)机制。 　　(4)在980 nm红外光源激发下,在Er3+/Tm3+/Yb3+共掺杂钛酸铋(BETYT)薄膜的上转换荧光光谱中观察到红、绿、蓝三个发射带,通过改变Er3+、Tm3+、Yb3+三种离子的掺杂浓度可以调节三种色光的相对强度,从而进行颜色调节。由于稀土离子之间存在复杂的能量传递,在BETYT薄膜中稀土离子的淬灭浓度与BTYT和BEYT有所不同。在调制白光的过程中,即要实现较高的荧光效率,又要满足三种色光的相互协调,荧光发射效率较低的Tm3+离子的浓度首先被固定在淬灭点附近,这限制了Er3+的掺杂浓度,红、绿光相对强度主要依靠改变Yb3+离子浓度进行调节。经过大量的组分实验,最终在Bi3.25Er0.007Tm0.013Yb0.73Ti3O12薄膜中获得了接近理想白光的色品坐标(0.27,0.34,0.39),在黑暗中可以直接用肉眼观察到明亮的白光。Bi3.25Er0.007Tm0.013Tb0.73Ti3O12薄膜的Pr值为14/μC/cm2。 　　(5)采用稀土离子Er3+、Tm3+、Yb3+(A位,即Bi3+位置)和高价W6+(B位,即Ti4+位置)共掺的方法制备出Er3+/Yb3+/W6+、Tm3+/Yb3+/W6+、Er3+/Tm3+/Yb3+/W6+掺杂的钛酸铋薄膜。W6+离子的掺杂不仅不会引起荧光淬灭,而且能够显著地提高薄膜的铁电和介电性能,在Bi3.79Er0.03Yb0.18Ti3-zWzO12(z=0.01,0.03,0.06)薄膜中Pr值分别为36μC/cm2、49μC/cm2和59μC/cm2。在Bi3.79Er0.03Yb0.18Ti3-zWzO12(z=0.1)薄膜中,频率为1 kHz时介电常数高达537,而介电损耗即使在频率为100 kHz时也仅为2.4％。W6+掺杂钛酸铋薄膜荧光和铁电性能的提高主要源于减少的氧空位浓度。