强磁场下锰、铁基荧光材料的磁性和发光特性研究

发布时间：2020-04-13 04:54

【摘要】：3d过渡金属(如Mn,Fe,Co)等化合物,由于其存在未成对的3d电子,常表现出很强的磁性;同时由于3d轨道能级之间的能量差在可见光波段,对应的电子跃迁引发相应波段的光吸收、发射特性。这些特点赋予这种类型化合物磁、光复合性能,从而使其在数据存储、自旋电子学和传感等方面具有重要的应用价值。低温和强磁场是研究3d过渡金属化合物磁、光性质的极佳条件。在低温,特别是低至液氦的温度下,热涨落引发的电-声子相互作用得到有效抑制,磁性相互作用将成为影响光学跃迁的主要因素。在外加强磁场下,反铁磁或顺磁态逐渐转变为铁磁态,相应的光学跃迁将得到有效地调制。通过研究不同磁场下的荧光、吸收谱可以获得磁相互作用与光学跃迁之间的相互影响规律。本论文研究了几种过渡金属化合物在低温和强磁场下的磁性、光谱性质并观测到一些新现象。具体工作如下:一、温度和磁场对(CH_3NH_3)_2MnCl_4单晶光致发光的调制研究了层状钙钛矿单晶(CH_3NH_3)_2MnCl_4的磁性和光发射特性。首先利用低温光致发光和荧光寿命的测量,确定了(CH_3NH_3)_2MnCl_4单晶材料的发光机理:材料通过d-d跃迁吸收光子能量达到激发态,激发态能量在邻近的Mn离子之间传递,最终在缺陷态的Mn离子晶格发生辐射跃迁从而产生荧光。然后通过脉冲强磁场下光致发光的测量,发现外磁场对光致发光的调制具有各向异性特征。最后,通过磁化率和ESR的测量,验证了单晶材料在低温下的面内反铁磁有序,从而证明反铁磁相互作用对光学跃迁的调制作用。二、温度和磁场对CsPbCl_3:Mn纳米晶中激子-Mn离子能量传递过程的调制研究了CsPbCl_3:Mn纳米晶的激子发光和Mn离子发光随Mn离子浓度、温度和磁场强度的变化规律,探究了激子-Mn离子激发态能量传递机理。首先观测到温度从300 K降到60 K时能量传递过程被抑制,而在温度小于60 K时,能量传递过程又逐步增强的实验现象。通过对光谱参数如半峰宽、峰强以及峰位随温度变化的分析,发现热涨落增强了高温区域的能量传递过程。其次,通过磁化率和ESR的测量,发现在低温下,纳米晶中形成了反铁磁相互作用的Mn-Mn离子对,引起了局域对称性结构的破缺,从而使能量传递过程在低温区域得到增强。最后,在强磁场下观测到铁磁态对能量传递过程的压制,进一步证明了反铁磁相互作用对激子-Mn激发态能量传递过程的增强作用。三、温度对Gd_3Ga_(5-x)Fe_xO_(12):Yb~(3+)/Er~(3+)纳米晶上转换光致发光的调制研究了Fe离子掺杂Gd_3Ga_5O_(12):Yb~(3+)/Er~(3+)纳米晶的上转换荧光随温度的变化规律。首先通过不同Fe离子浓度的纳米晶的XRD和磁化率测量确定Fe离子取代Ga离子的晶格位置。其次,利用低温光致发光谱研究了不同Fe离子浓度纳米晶上转换荧光强度随温度的变化,揭示了Fe离子与Er离子的激发态能量传递过程有效地增强了纳米晶在低温下的荧光强度。最后,对该材料上转换荧光的传感性能进行评估,结果表明该类材料在大范围温度区间(4.2 K-300 K)表现出优异的响应特性,具有一定的应用价值。
【图文】：

磁化率,变化关系,顺磁性材料,磁矩

华中科技大学博士学位论文在热涨落的影响下，这些磁矩呈现无规则的排列。当存在外加磁场时，这些磁矩沿着磁场方向排布，并且磁场强度越大，，磁矩的排列越规则，这一特性被称为顺磁性。顺磁性材料的磁化方向与外磁场方向是一致的，因此这类材料的磁化率大于零，但其数值很小。顺磁性材料的磁化率与温度有密切的关系。其中，一小部分材料的磁化率随温度的变化关系遵循居里定律，而大部分材料的磁化率-温度关系服从居里-外斯定律。大多数 3d 过渡金属化合物表现出顺磁性。

示意图,非简并,过渡金属元素,d轨道

论属化合物的光学性质大多取决于过渡金属离子，对于过渡电子的光学跃迁的研究，晶体场理论是最直接且有效的方论是基于静电理论，利用群论中的对称性理论以及量子力 d 轨道和稀土离子的 f 轨道的理论。它将化合物中的过渡中心，周围的邻近的离子视为配位体，忽略配位体轨道电纯的点电荷。因此，中心离子与配位体之间的相互作用可间的相互作用。由于中心离子受到配位体的作用，离子的而是分裂成不同的轨道能级。相对于原来的简并轨道，有轨道能级降低了。非简并能级的高低以及个数取决于过渡所处的局域晶体场对称性，而就是这种轨道能级分裂直接磁学性质。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O482.31

【相似文献】