【摘 要】
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本论文以稀土离子掺杂的钼酸盐上转换发光材料为研究对象,通过理论计算与实验相结合的方法,研究了该类材料在不同波长激发源和温度场等调控手段下的发光性能以及在LED照明、温度传感、双模防伪和逻辑门方面的功能性应用,系统阐明了掺杂离子对上转换发光材料体系的结构和性能的影响,揭示了荧光增强和温度调控下的上转换机理,主要工作表现在以下几个方面:利用第一性原理方法计算了KLa(Mo O4)2以及KLa(Mo O
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本论文以稀土离子掺杂的钼酸盐上转换发光材料为研究对象,通过理论计算与实验相结合的方法,研究了该类材料在不同波长激发源和温度场等调控手段下的发光性能以及在LED照明、温度传感、双模防伪和逻辑门方面的功能性应用,系统阐明了掺杂离子对上转换发光材料体系的结构和性能的影响,揭示了荧光增强和温度调控下的上转换机理,主要工作表现在以下几个方面:利用第一性原理方法计算了KLa(Mo O4)2以及KLa(Mo O4)2:Re3+(Er3+,Yb3+/Er3+)三个体系的晶胞参数、电子结构和光学性质。掺杂稀土离子后,体系的立方相结构没有发生变化,晶胞体积缩小;在费米能级附近出现新峰,禁带宽度缩小,有利于电子的跃迁;相较于未掺杂和单掺体系,双掺体系在红外波段的吸收率升高,反射率降低,有利于实现上转换发光。采用高温固相法制备了KLa(Mo O4)2:15%Yb3+/2%Er3+样品,其在808 nm、980 nm、1064 nm、1470 nm和1550 nm红外波长激发下均在532 nm、555 nm、672 nm处出现了特征发射峰。利用KLa(Mo O4)2:15%Yb3+/2%Er3+的上转换发光特性,将该荧光粉与市售近红外芯片结合,构建了绿光发光二极管器件原型。在980 nm和1550 nm双波长共同激发下,KLa(Mo O4)2:15%Yb3+/2%Er3+样品实现了荧光增强。当980 nm和1550 nm激发功率为56.2 m W和343 m W时,绿光和红光增强效果最为显著,增强因子分别为1.21和2.03。在120 K到300 K的范围内,基于Er3+离子的热耦合能级(~2H11/2和~4S3/2),研究了KLa(Mo O4)2:Yb3+/Er3+材料的温敏性,该材料的绝对灵敏度和相对灵敏度分别在300 K处和120 K处达到最大值,分别为0.0047 K-1和5.8%K-1,说明该材料在低温传感领域具有应用价值。在980 nm激发下,Ho3+和Yb3+共掺的KLa(Mo O4)2材料可以通过热操纵的手段调控电子跃迁过程来实现多色上转换发光。在低温环境下,当温度从85 K升高到240K时,该材料的发光颜色由亮绿色过渡成深黄色。在低温区,该材料的绝对灵敏度和相对灵敏度在85 K时达到最大值,分别为0.049 K-1和4.6%K-1,低温传感性能优异。利用KLa(Mo O4)2:Yb3+/Ho3+上转换材料的热致变色发光特性和对低温的高灵敏度,研制出了KLa(Mo O4)2:Yb3+/Ho3+荧光安全油墨和上转换光子条形码,实现了可视化读取和数字识别双模式防伪。利用1470 nm和1550 nm双波长作为触发信号,Gd2(Mo O4)3:Yb3+/Er3+不仅实现了显著的荧光增强,而且形成了一套上转换逻辑门系统并构建了多重组合逻辑运算。当1470 nm和1550 nm激光器的激发功率分别为266 m W和433 m W时,双波长共同激发的荧光增强效果最佳,绿光和红光增强因子分别为2.06和1.6。结合激发功率和低温对双波长增强效果的影响,采用1470和1550 nm激发源作为输入信号,监测该材料的绿光相对发射强度、红光相对发射强度和红绿强度比信号的变化,构建了四种双输出(YES+OR,AND+XOR,AND+INHIBIT,YES+INHIBIT)和一种三输出(AND+YES+OR)的逻辑组合运算,为上转换逻辑门系统的开发提供了技术支撑。该上转换发射系统的多个输出信号可以同时执行不同的逻辑操作,扩大了逻辑信息库的容量,有助于提高系统信息处理能力。
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