稀土离子掺杂NaBiF4上转换荧光材料的制备及性能研究

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上转换发光材料具有可协调发光、以近红外光激发等诸多优点,近几十年来一直受科学家们的广泛关注。基质材料作为主体部分对上转换材料的发光效率有较大影响。与稀土化合物相比硝酸铋价格低廉,用NaBiF4代替常见的NaREF4(RE=Y、La、Eu等稀土元素)类稀土氟化物作为基质材料可以有效降低原材料成本。常温沉淀法制备的NaBiF4:Yb3+/Er3+样品上转换发光强度低、粒径难以控制,溶剂热法制备的NaBiF4:Yb3+/Er3+样品上转换发光强度较高,但形貌不规则。本文以优化两种制备方法为目的,主要采用杂质离子掺杂和改变溶剂的方式实现NaBiF4:Yb3+/Er3+样品上转换荧光增强及一定程度的粒径、形貌控制。对于常温沉淀法制备NaBiF4:Yb3+/Er3+的不足,选用阳离子半径较小的Li+离子与稀土离子共掺杂。以正沉淀法掺杂时,大部分Li+离子都能以进入晶格间隙或置换Na+离子的方式进入NaBiF4晶格中。进入间隙位置的Li+离子引起晶体电荷不平衡,为平衡电荷在颗粒表面将形成瞬间电偶极并将正极指向外端,加速F-离子从溶液扩散到颗粒表面,促进晶粒长大,在保持形貌较规则的前提下,改变Li+离子掺杂浓度可实现粒径从360 nm至871 nm的调控。尺寸的增长及Li+离子掺杂引起引起的晶格畸变都能促进上转换荧光增强,当Li+离子掺杂量为15 mol%时,绿光和红光分别增加至27.1和19.3倍,且大部分Li+离子都能进入NaBiF4晶格。相反,以反沉淀方式掺杂Li+离子时,Li+离子难以进入NaBiF4晶格更容易生成BiF3等杂质,同时还会导致上转换发光强度的大幅度降低和形貌的巨大改变。对于溶剂热法探讨了溶剂热阶段反应时间、反应温度对NaBiF4:Yb3+/Er3+样品物相组成、形貌及上转换发光的影响。结果表明,在该反应阶段,适当增加反应温度、延长反应时间,可提高NaBiF4:Yb3+/Er3+的结晶度,进而提高上转换发光效率,温度过高(高于220℃时)则容易生成金属铋。低温(100℃)下制备的样品形貌更加规则,通过调节溶剂中乙醇与乙二醇的比例还能实现NaBiF4:Yb3+/Er3+样品从球形到棒状的转变。此外,通过Rb+离子掺杂进一步增强了NaBiF4:Yb3+/Er3+的上转换发光。Rb+离子掺杂量为5 mol%时,绿光和红光分别增加至原来的1.73和1.5倍。最后基于荧光强度比(FIR)技术,研究了样品在300 K500 K温度范围的FIR变化曲线,结果表明NaBiF4:Yb3+/Er3+样品在温度传感领域有潜在应用价值。
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