稀土掺杂氟化物多波长红外显示材料地地的研究.pdf

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稀土掺杂氟化物多波长红外显示材料的研究

摘要：本文简单介绍了稀土发光原理、上转换发光材料的大致开展史、红外上转

换发光材料的应用以与当前研究现状。以PbF2为基质材料，ErF3为激活剂，YbF3

为敏化剂，采用高温固相反响法制备了PbF2:Yb上转换发光材料。重点讨论了

制备过程中，制备工艺中的烧结时间、烧结温度对红外激光显示材料发光效果的

影响。研究了Er3+/Yb3+发光系统在1064nm激光激发下的荧光光谱和上转换发

光的性质。实验明确，在1064nm激光激发下，材料可以发射出绿色和红色荧光，

是一种新型的红外激光显示材料。

关键字：1064nm上转换红外激光显示Er3+/Yb3+

KeyWords:1064nmUp-conversionInfraredlaserdisplayedmaterials

Er3+/Yb3+

第一章绪论

1.1稀土元素的光谱理论简介

1.1.1稀土元素简介

稀土元素是指周期表中IIIB族，原子序数为21的钪〔S〕：39的钇〔Y〕

和原子序数57至71的镧系中的镧〔La〕、铈〔Tue〕、镨〔Pr〕、钕〔Nd〕、钷〔Pm〕、

钐〔S〕、铕〔Tue〕、钆〔Wed〕、铽〔Ftp〕、镝〔Wed〕、钬〔Ho〕、铒〔Tue〕、铥

〔Ftp〕、镱〔Yb〕、镥〔Lu〕，共17个元素[1]。

1.1.2稀土离子能级：

稀土离子具有4f电子壳层，但在原子和自由离子的状态由于宇称禁戒，不

能发生f-f电子跃迁[37]。利用群论方法，采用U7R7G2R3群链的分支规如

此可以方便地给出4ftp组态的全部正确的光谱项，通常用大写的英文字母表示

光谱项的总轨道角动量的量子数的数目，在光谱学中，用符号2S+1L表示光谱项。

1.1.3晶体场理论

晶体场理论认为，当稀土离子掺入到晶体中，受到周围晶格离子的影响时，

其能级不同自由离子的情况。这个影响主要来自周围离子产生的静电场，通常称

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为晶体场[2]。晶体场使离子的能级劈裂和跃迁几率发生变化。稀土离子在固体

中形成典型的分立发光中心。在分立发光中心中，参与发光跃迁的电子是形成中

心离子本身的电子，电子的跃迁发生在离子本身的能级之间。中心的发光性质主

要取决于离子本身，而基质晶格的影响是次要的。

1.1.4基质晶格的影响

基质晶格对f→d跃迁的光谱位置有着强烈的影响，另外其对f→f跃迁的影

响表现在三个方面：〔1〕可改变三价稀土离子在晶体场所处位置的对称性，使不

同跃迁的谱强度发生明显的变化；〔2〕可影响某些能级的分裂；〔3〕某些基质的

阴离子团可吸收激发能量并传递给稀土离子而使其发光，即基质中的阴离子团起

敏化中心的作用。

1.2上转换发光材料的开展概况

发光是物体内部以某种方式吸收的能量转换为光辐射的过程。发光学的内容包括

物体发光的条件、过程和规律，发光材料与器件的设计原理、制备方法和应用，

以与光和物质的相互作用等根本物理现象。发光物理与其材料科学在信息、能源、

材料、航天航空、生命科学和环境科学技术中的应用必将促进光电子产业的迅猛

开展，这对全球的信息高速公路的建设以与国家经济和科技的开展起着举足轻重

的推动作用。一般来说，要制备高效的上转换材料，首先要寻找适宜的基质材料，

当前研究的上转换材料多达上百种，有玻璃、陶瓷、多晶粉末和单晶。其化合物

可分为：〔1〕氟化物；〔2〕氧化物；〔3〕卤氧化物；〔4〕硫氧化物；〔5〕硫化物

等。

迄今为止，上转换发光研究取得了很大的进展，人们已在氟化物玻璃、氟氧化物

玻璃与多种晶体中得到了不同掺杂稀土离子的蓝绿上转换荧光。

1.3上转换发光的根本理论

通过多光子机制把长波辐射转换成短波辐射称为上转换，其特点是吸收光子的能

量低于发射光子的能量。稀土离子上转换发光是基于稀土离子4f电子能级间的

跃迁产生的。由于4f外壳层电子对4f电子的屏蔽作用，使