稀土离子掺杂玻璃的制备与发光性能分析

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稀土离子掺杂玻璃的制备与发光性能分析　　摘要：稀土离子掺杂玻璃是良好的发光基质材料，广泛的应用于激光、光学放大器、光通讯等多方面。本文通过对稀土离子掺杂高硅氧玻璃的制备与发光性能进行分析，旨在提出稀土离子掺杂高硅氧玻璃的制备工艺，充分挖掘稀土离子掺杂高硅氧玻璃的发光性能，为稀土离子掺杂高硅氧玻璃的应用提供理论依据与实践指导。　　关键词：稀土离子；高硅氧玻璃；制备；发光性能　　中图分类号：：TQ171.1文献标识码：A文章编号：1672-3791（2016）02（c）-0000-00　　稀土离子掺杂高硅氧玻璃的发光强度由其制备工艺参数决定，若能优化稀土离子掺杂高硅氧玻璃的制备工艺和技术，进一步提高稀土离子掺杂高硅氧玻璃发光强度，就能为探索一条全新的高稳定性、自主知识产权的稀土离子掺杂高硅氧玻璃制备的新途径奠定基础。　　一、稀土元素和稀土发光材料　　稀土元素是元素周期表中17种元素的总称，包括原子序数为21的钪（Sc）、39的钇（Y）和57到71的镧系元素。　　稀土离子掺杂高硅氧玻璃是良好的发光基质材料，通过在稀土离子掺杂中掺杂高硅氧玻璃可以在一定波长激发下使高硅氧玻璃材料用某种方式吸收外界能量，让电子从基态被激发跃迁到激发态。　　二、稀土离子掺杂高硅氧玻璃的制备工艺5 　　稀土离子掺杂高硅氧玻璃制备工艺主要包括高硅氧玻璃制备、稀土离子掺杂和高硅氧玻璃烧结三个步骤。　　（1）高硅氧玻璃制备：高硅氧玻璃制备主要是在一定温度下将钠硼硅酸盐基体高硅氧玻璃保温一段时间，并进行分相。通过分相将原本结构均匀的高硅氧玻璃转化为钠硼相和硅相。将分相后的高硅氧玻璃浸泡在稀酸中，直到溶出钠硼相，并对溶出钠硼相进行反复冲洗，得到三维联通孔结构的富硅相，即纳米多孔高硅氧玻璃。纳米多孔高硅氧玻璃的化学成分通常有95%以上都是二氧化硅，其多孔的孔径、比表面积、孔容积等参数的大小直接决定了稀土离子的掺杂量多少。由此可知，纳米多孔高硅氧玻璃是后续稀土离子掺杂工艺中稀土离子的载体，其孔径、比表面积、孔容积等参数对稀土离子掺杂高硅氧玻璃发光强度的大小具有重要的影响。　　（2）稀土离子掺杂：在一定浓度的稀土离子溶液中浸泡纳米多孔高硅氧玻璃，一段时间后就可以实现稀土离子掺杂。充分干燥掺杂稀土离子的纳米多孔高硅氧玻璃，将干燥后的稀土离子掺杂高硅氧玻璃存在干燥器内。　　（3）高硅氧玻璃烧结：按照一定的温度对掺杂了稀土离子的纳米多孔高硅氧玻璃进行烧结，收缩联通多孔，量脱除纳米微孔高硅氧玻璃内表面存在的羟基。然后通过抛光得到稀土离子掺杂高硅氧玻璃。采用何种烧结气氛应根据选取的稀土离子和发光要求而定，除了Eu3+等少数稀土离子，通常在还原气氛下烧结得到的稀土离子发光更强。　　三、稀土离子掺杂高硅氧玻璃的发光性能5 　　（一）Sm3+掺杂量对发射光谱的影响：以Sm3+掺杂量与发光性质的关系为研究对象，采用Endiber公司的FLS920型稳态/瞬态荧光光谱仪测试了不同溶液浓度掺杂下Sm3+掺杂高硅氧玻璃样品的激发光谱。测量范围为200-450nm时，Sm3+激发光谱如图2。在313、340、358、371和401nm有明显的激发峰.均是由于Sm3+的f-f跃迁造成的，最大激发峰位于401nm。　　以401nm为激发波长，在550nm～680nm的测试范围内，Sm3+掺杂高硅氧玻璃样品的发射光谱。　　Sm3+有三个发射特征峰位于564nm，602nm，649nm，分别是由于Sm3+的4G5/26HJ（J=5/2，7/2，9/2）电子跃迁引起的。由图可知，掺杂量的改变并不会影响Sm3+发射峰的中心波长，仅会改变峰值强度。　　随着掺杂溶液浓度的增加，Sm3+离子掺杂量逐渐增加，离子间距离逐渐减小。以Sm3+离子掺杂量为横坐标，不同发射峰强度为纵坐标做图。　　随着掺杂量的增加，高硅氧玻璃发光强度先增大后降低的现象称为浓度猝灭现象。Sm3+离子的主要猝灭过程是4G5/26F9/2与4H5/26F9/2能级对之间的交叉弛豫过程，如图1。　　激发到4G5/2能级上的离子，由于交叉弛豫过程相当多的激发离子从4G5/2能级转移到6F9/2能级上，再经过辐射和弛豫过程消耗了有用的激发态离子数减少了荧光发射。　　（二）Sm3+掺杂量对荧光寿命的影响：为了研究高硅氧玻璃中Sm3+离子掺杂量与荧光寿命的关系，采用Endiber公司的FLS920型稳态/瞬态荧光光谱仪测试各高硅氧玻璃样品中Sm3+离子发光的荧光寿命。检测波长选为Sm3+离子发射峰值最高的波长649nm，激发光波长为401nm。Sm3+离子荧光寿命通常在2ms左右，实验中使用微秒脉冲闪光灯作为激发光源。5 　　随着掺杂量的增加，Sm3+离子荧光寿命不断减小。这说明高硅氧玻璃中Sm3+的发生能量传递的临界距离在0.8379nm到0.49nm之间，由于实验中离子掺杂量变化比较大，无法得出精确的Sm3+离子最优掺杂量，需要继续补充实验。　　结论　　稀土离子掺杂发光高硅氧玻璃在激光、光学放大器、光通讯、储能和显示等光电领域有着广泛的应用。高硅氧玻璃既具有氧化物高硅氧玻璃的高机械强度、高化学稳定性和热稳定性等特点，又具有氟化物高硅氧玻璃声子能低的优点，能有效地提高稀土离子的发光强度。本文通过对稀土离子掺杂高硅氧玻璃的制备工艺和发光性能分析，为稀土离子掺杂发光高硅氧玻璃的制备和应用具有重要的参考价值。　　参考文献　　[1]崔祥水，陈文哲.稀土离子（Eu～（3+），Tb～（3+），Ce～（3+））掺杂ZnAl_2O_4/SiO_2微晶玻璃的制备与发光性能（英文）[J].发光学报，2015，v.3604：400-407.　　[2]于惠梅，潘秀红，张明辉，刘岩，余建定.不同掺杂稀土离子对新型TiO_2基上转换发光玻璃热稳定性的影响[J].化学世界，2014，v.5501：1-4+14+18.　　[3]徐姝颖，孙彤，刘连利，王莉丽，侯冰，吴朝凌.稀土离子掺杂及制备方法对钛酸盐发光材料性能影响的研究及展望[J].材料导报，2014，v.2805：68-73.　　[4]顾路顺，施楠，张乐，王丽熙，张其土.5 Tb/Eu共掺锌硼磷酸盐白光发光玻璃的制备及其发光性能[J].发光学报，2014，v.3508：897-904.5