铈稳定氧化锆上转换材料的制备及其发光性能研究

发布时间：2017-09-30 00:11

  本文关键词：铈稳定氧化锆上转换材料的制备及其发光性能研究

  更多相关文章： 上转换 铈稳定氧化锆 反向共沉淀法 铒钬铥镱

【摘要】：近年来,通过上转换的方式而获得的发光几乎覆盖了从红外、可见到紫外的全部波段,上转换材料和器件已经在激光、通信、能源、医疗、催化和军事等领域得到应用。在众多的氧化物基质上转换材料中,氧化锆因其具有较好的化学和物理性能,以及较低的声子能量(470 cm-1),近年来在发光材料领域被广泛的研究。然而在实际应用和研究中发现以ZrO_2为主要成分的材料在合成温度和使用温度不同时会因温度的变化发生单斜相、四方相、立方相的相互转变,使其物相变得很不稳定。为了克服氧化锆基上转换材料性能不稳定的缺点和提高其发光效率,我们选择掺杂15 mol%Ce~(4+)的ZrO_2得到铈稳定氧化锆(Cerium-stabilized zirconia,此后记为15CSZ)做为上转换材料基质,采用反向共沉淀法来制备了不同浓度激活剂铒、钬、铥和镱单双掺粉体,研究了稳定剂加入前后对材料物相以及发光性能的影响。同时对比分析了合成温度和稀土离子掺杂浓度对试样物相和发光性能的影响,详细阐述了可能的发光机理。获得了一种物相稳定的铈稳定氧化锆基高效上转换荧光粉体,同时也开辟了一种通过调整基质结构来提高上转换材料猝灭浓度从而提高其发光效率的新思路(例如在铒掺杂体系里猝灭浓度可高达10 mol%)。具体研究结果如下:(1)通过研究不同浓度的稳定剂Ce~(4+)对ZrO_2物相的影响,可以确定Ce~(4+)能在较宽的范围内与ZrO_2形成固溶体得到稳定的四方相,并且较适宜的Ce~(4+)稳定剂浓度为15 mol%。同时,在稳定剂加入后对材料的上转换发光性能有了很大的提高。(2)通过对比分析不同合成温度下的试样可以看到煅烧温度对试样的物相和上转换发光性能有重要的影响。在三个不同的合成温度下(600℃、900℃、1200℃),试样的物相均为相同的立方相或四方相,但是较高的合成温度更有利于促进晶粒的生长、晶型的发育和上转换发光。(3)在980 nm的红外激光激发下,铒单掺及铒镱双掺铈稳定氧化锆体系试样主要以绿光(520~570 nm)和红光(630~690 nm)上转换发射为主。在铒镱低浓度时,试样以绿光发射为主,高浓度时以红光发射为主。钬单掺及钬镱双掺铈稳定氧化锆体系试样主要以绿光(520~570 nm)、红光(630~690 nm)和红外光(757 nm左右)上转换发射为主,在钬掺杂体系中,随着Ho~(3+)离子掺杂浓度的增加,整体上转换发光强度逐渐降低,这主要是由于较高浓度的Ho~(3+)离子之间发生了团聚作用,阻碍了上转换发光。铥单掺及铥镱双掺铈稳定氧化锆体系试样主要以蓝光(460~500 nm)、绿光(530~560 nm)、红光(650~700 nm)和红外光(800 nm左右)上转换发射为主,在铥体系中试样的整体发光较弱,同时在较低的掺杂浓度便发生了浓度猝灭。通过调节激活剂掺杂离子的浓度可实现不同颜色的光强度的连续变化。敏化剂Yb~(3+)的加入使得双掺试样的上转换发光强度比单掺试样有了显著的提高。(4)在上转换的机理方面,单掺试样的上转换主要涉及基态吸收(GSA)、激发态吸收(ESA)和交叉弛豫(CR)和多声子无辐射弛豫等过程;双掺试样的上转换主要涉及能量传递(ET)和反向能量(EBT)等过程,这些作用导致了上转换发光强度显著受激活剂离子和敏化剂离子掺杂浓度的影响。
【关键词】：上转换 铈稳定氧化锆 反向共沉淀法 铒钬铥镱
【学位授予单位】：温州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ134.12
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 上转换材料的研究背景12-16
• 1.1.1 稀土元素简介12-14
• 1.1.2 上转换材料的研究历史14-16
• 1.2 上转换材料的组成16-17
• 1.2.1 激活剂16
• 1.2.2 敏化剂16
• 1.2.3 基质16-17
• 1.3 上转换材料的制备方法17-18
• 1.3.1 高温固相法17
• 1.3.2 水热合成法17
• 1.3.3 溶胶-凝胶法17-18
• 1.3.4 共沉淀法18
• 1.4 上转换材料的发光机理18-21
• 1.4.1 激发态吸收18-19
• 1.4.2 能量传递上转换19
• 1.4.3 合作敏化上转换19-20
• 1.4.4 交叉弛豫20
• 1.4.5 光子雪崩20-21
• 1.5 上转换材料的应用21-23
• 1.5.1 防伪技术21-22
• 1.5.2 荧光标记22
• 1.5.3 三维立体显示技术22-23
• 1.5.4 上转换激光器23
• 1.6 论文选题的依据和研究目的及意义23-25
• 1.6.1 论文选题的依据23-25
• 1.6.2 论文研究目的和意义25
• 1.7 论文研究内容25-26
• 第二章 实验部分26-32
• 2.1 制备方法的选择26
• 2.2 实验药品和仪器26-27
• 2.3 试样制备和测试表征27-32
• 2.3.1 试样的制备27-28
• 2.3.2 试样的测试表征28-32
• 第三章 不同浓度的稳定剂Ce~(4+)对ZrO_2物相的影响32-36
• 第四章 铒单掺及铒镱双掺铈稳定氧化锆上转换体系的研究36-64
• 4.1 试样组成设计36-37
• 4.2 稳定剂Ce~(4+)对试样物相和上转换发光性能的影响37-43
• 4.2.1 稳定剂Ce~(4+)对试样物相的影响37-41
• 4.2.1.1 稳定剂Ce~(4+)对 15CSZ:Er~(3+)试样物相的影响37-39
• 4.2.1.2 稳定剂Ce~(4+)对 15CSZ:Er~(3+)/Yb~(3+)试样物相的影响39-41
• 4.2.2 稳定剂Ce~(4+)对试样上转换发光性能的影响41-43
• 4.2.2.1 稳定剂Ce~(4+)对 15CSZ:Er~(3+)试样上转换发光性能的影响41-43
• 4.2.2.2 稳定剂Ce~(4+)对 15CSZ:Er~(3+)/Yb~(3+)试样上转换发光性能的影响43
• 4.3 煅烧温度对试样物相和上转换发光性能的影响43-49
• 4.3.1 煅烧温度对试样物相的影响43-46
• 4.3.1.1 煅烧温度对 15CSZ:Er~(3+)试样物相的影响44-45
• 4.3.1.2 煅烧温度对 15CSZ:Er~(3+)/Yb~(3+)试样物相的影响45-46
• 4.3.2 煅烧温度对试样上转换发光性能的影响46-49
• 4.3.2.1 煅烧温度对 15CSZ:Er~(3+)试样上转换发光性能的影响47
• 4.3.2.2 煅烧温度对 15CSZ:Er~(3+)/Yb~(3+)试样上转换发光性能的影响47-49
• 4.4 稀土离子掺杂浓度对试样物相和上转换发光性能的影响49-58
• 4.4.1 掺杂浓度对试样物相的影响49-53
• 4.4.1.1 掺杂浓度对 15CSZ:Er~(3+)试样物相的影响49-51
• 4.4.1.2 掺杂浓度对 15CSZ:Er~(3+)/Yb~(3+)试样物相的影响51-53
• 4.4.2 掺杂浓度对试样上转换发光性能的影响53-58
• 4.4.2.1 掺杂浓度对 15CSZ:Er~(3+)试样上转换发光性能的影响53-55
• 4.4.2.2 掺杂浓度对 15CSZ:Er~(3+)/Yb~(3+)试样上转换发光性能的影响55-58
• 4.5 试样的上转换发光机理分析58-63
• 4.5.1 单掺 15CSZ:Er~(3+)试样上转换发光机理分析58-61
• 4.5.2 双掺 15CSZ:Er~(3+)/Yb~(3+)试样上转换发光机理分析61-63
• 4.6 本章小结63-64
• 第五章 钬单掺及钬镱双掺铈稳定氧化锆上转换体系的研究64-82
• 5.1 试样组成设计64-65
• 5.2 稳定剂Ce~(4+)对试样物相和上转换发光性能的影响65-67
• 5.2.1 稳定剂Ce~(4+)对 15CSZ:Ho~(3+)/Yb~(3+)试样物相的影响65-66
• 5.2.2 稳定剂Ce~(4+)对 15CSZ:Ho~(3+)/Yb~(3+)试样上转换发光性能的影响66-67
• 5.3 煅烧温度对试样物相和上转换发光性能的影响67-68
• 5.3.1 煅烧温度对 15CSZ:Ho~(3+)/Yb~(3+)试样物相的影响67-68
• 5.3.2 煅烧温度对 15CSZ:Ho~(3+)/Yb~(3+)试样上转换发光性能的影响68
• 5.4 稀土离子掺杂浓度对试样物相和上转换发光性能的影响68-76
• 5.4.1 掺杂浓度对试样物相的影响68-72
• 5.4.1.1 掺杂浓度对 15CSZ:Ho~(3+)试样物相的影响69
• 5.4.1.2 掺杂浓度对 15CSZ:Ho~(3+)/Yb~(3+)试样物相的影响69-72
• 5.4.2 掺杂浓度对试样上转换发光性能的影响72-76
• 5.4.2.1 掺杂浓度对 15CSZ:Ho~(3+)试样上转换发光性能的影响72-73
• 5.4.2.2 掺杂浓度对 15CSZ:Ho~(3+)/Yb~(3+)试样上转换发光性能的影响73-76
• 5.5 试样的上转换发光机理分析76-79
• 5.5.1 单掺 15CSZ:Ho~(3+)试样上转换发光机理分析76-78
• 5.5.2 双掺 15CSZ:Ho~(3+)/Yb~(3+)试样上转换发光机理分析78-79
• 5.6 本章小结79-82
• 第六章 铥单掺及铥镱双掺铈稳定氧化锆上转换体系的研究82-96
• 6.1 试样组成设计82
• 6.2 稳定剂Ce~(4+)对试样物相和上转换发光性能的影响82-84
• 6.2.1 稳定剂Ce~(4+)对 15CSZ:Tm~(3+)/Yb~(3+)试样物相的影响82-84
• 6.2.2 稳定剂Ce~(4+)对 15CSZ:Tm~(3+)/Yb~(3+)试样上转换发光性能的影响84
• 6.3 煅烧温度对试样物相和上转换发光性能的影响84-86
• 6.3.1 煅烧温度对 15CSZ:Tm~(3+)/Yb~(3+)试样物相的影响84-85
• 6.3.2 煅烧温度对 15CSZ:Tm~(3+)/Yb~(3+)试样上转换发光性能的影响85-86
• 6.4 稀土离子掺杂浓度对试样物相和上转换发光性能的影响86-92
• 6.4.1 掺杂浓度对试样物相的影响86-89
• 6.4.1.1 掺杂浓度对 15CSZ:Tm~(3+)试样物相的影响86-87
• 6.4.1.2 掺杂浓度对 15CSZ:Tm~(3+)/Yb~(3+)试样物相的影响87-89
• 6.4.2 掺杂浓度对试样上转换发光性能的影响89-92
• 6.4.2.1 掺杂浓度对 15CSZ:Tm~(3+)试样上转换发光性能的影响89-90
• 6.4.2.2 掺杂浓度对 15CSZ:Tm~(3+)/Yb~(3+)试样上转换发光性能的影响90-92
• 6.5 试样的上转换发光机理分析92-95
• 6.5.1 单掺 15CSZ:Tm~(3+)试样上转换发光机理分析92-93
• 6.5.2 双掺 15CSZ:Tm~(3+)/Yb~(3+)试样上转换发光机理分析93-95
• 6.6 本章小结95-96
• 第七章 结论96-98
• 参考文献98-103
• 附录103-109
• 致谢109-110
• 攻读学位期间发表的学术论文目录110

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