Yb3+-Eu3+掺杂BiOCl层状半导体上转换发光及调控行为的研究

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BiOCl是一类具有取向自发内电场的二维层状材料,在自发内电场作用下光生电子空穴分离还可以定向分离,从而表现出独特的铁电光伏效应。而稀土离子Eu3+离子是一类对外部环境具有高度敏感型的发光离子。本论文以Eu3+-Yb3+掺杂BiOCl上转换体系为研究对象,从敏化剂Yb离子的掺杂基质组分,BiOCl层状基质的径向尺度,以及等半径异价离子Ca2+离子掺杂三个方面,以Eu3+离子的电偶极跃迁行为作为探针,探索了这一新型上转换发光体系的调控行为。主要结果如下:在固相法合成的BiOCl微米片晶体系中,980 nm激光照射下,Eu3+离子表现出显著的5D07D4(698 nm)远红光发射特性。随着激光功率的增加,Eu3+离子的电偶极跃迁5D07F2(614nm)和5D07D4(698 nm)的跃迁分值比,以及starks能级劈裂行为的随着增大。然而,随着敏化剂Yb离子浓度增大,Eu3+离子的5D07F2(614nm)和5D07D4(698 nm)的跃迁分之比,以及starks能级劈裂行为则随之降低。其组分与功率调控表现出与传统上转换材料相互矛盾的行为。实验分析发现,层状BiOCl体系在980 nm激光的作用下,除了可以产生强烈取向的光诱导极化场外,在Yb离子的相互作用下,还形成了一种全新的反斯托克斯铁电光伏效应。即这类具有自发内电场的层状基质中与稀土离子上转换发光的结合产生了全新的调控机制。在水热法合成的BiOCl纳米片晶体系中,通过反应时间实现了纳米片片层厚度的控制。研究结果表明,除了对入射激光的功率有依赖性外,Eu3+离子的电偶极跃迁5D07F2(614nm)和5D07D4(698 nm)的跃迁行为和能级劈裂行为可以通过片层厚度实现有效的控制。对比实验发现,随着纳米片晶径向尺度的下降,除了表现出反斯托克斯铁电光伏效应外,980 nm激光作用下取向的光诱导极化场也随之增大。这类层状基质的上转换调控行为表现出强烈的尺度依赖性。这一结果有利于在纳米尺寸上认识二维层状材料的光物理特性,并且为开发新的纳米光电器件提供思路。通过固相法制备了掺杂Ca2+-Yb3+-Eu3+共掺的BiOCl微米晶。通过Eu3+的下转换探针发现,Ca2+离子异价替换Bi3+离子可以实现层状BiOCl自发内电场和铁电光伏效应的强烈变化。结果表明:Ca2+离子掺杂的BiOCl:1%Eu3+,5%Yb3+样品中,Eu3+离子的下转换发光表现出超灵敏的波长依赖性。并且通过对比Ca2+离子掺杂的BiOCl:1%Eu3+微米晶的样品发现,Yb3+离子掺杂会影响Ca2+离子进入BiOCl晶格的方式,从而影响Eu3+离子的下转换发光以及荧光寿命。而对于Eu3+离子的上转换发光其可以通过Ca2+离子掺杂浓度和激光功率来调控。
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