Dy3+对Tb3+激活硅酸盐氟氧闪烁玻璃发光性能的影响

采用高温熔融法制备了Dy3+或Tb3+单掺和Dy3+/Tb3+共掺硅酸盐氟氧闪烁玻璃。通过对傅里叶变换红外光谱、透射光谱、光致激发和发射光谱、X射线激发发射光谱及荧光衰减曲线的分析,研究Dy3+与Tb3+之间的能量传递关系以及Dy3+对Tb3+激活硅酸盐氟氧闪烁玻璃发光性能的影响。实验结果表明：Dy3+/Tb3+共掺硅酸盐氟氧闪烁玻璃具有较高的密度和良好的可见区透过率,玻璃的网络结构是由[SiO₄]四面体和[AlO₄]四面体连接构成。在紫外光激发时,Dy3+单掺玻璃的发光源于Dy3+的4F_9/2→6H_15/2(483 nm),6H_13/2(576 nm)的跃迁发射,而Tb3+单掺玻璃的发光则源于Tb3+的5D₄→7F₆(489 nm),7F₅(544 nm),7F₄(586 nm)和7F₆(623 nm)的跃迁发射。对于Dy3+/Tb3+共掺玻璃,发射光谱则主要由Tb3+的荧光发射组成。通过对不同波长紫外光激发的发射光谱分析发现,Dy3+/Tb3+共掺闪烁玻璃中存在多种形式的能量传递。在以Dy3+的特征激发452 nm为激发波长时,Tb3+单掺玻璃的发光很弱。但随着Dy3+的引入,通过4F_9/2(Dy3+)→5D₄(Tb3+)的能量传递,Tb3+发光得到敏化增强。Dy3+/Tb3+共掺玻璃的发光强度随着Dy₂O₃含量的增多而增强,Dy₂O₃含量为1 mol%时达到最大,更高Dy₂O₃含量的样品由于Dy3+的浓度猝灭,减少了向Tb3+的能量传递,发光强度减弱。当激发波长减小到350 nm时,Dy3+和Tb3+均被激发到更高的能级6P_7/2(Dy3+)和5L₉(Tb3+),此时除了4F_9/2(Dy3+)→5D₄(Tb3+)的能量传递外,还出现了5D₄(Tb3+)→4F_9/2(Dy3+)的能量回传。Dy3+掺杂浓度较低时,Dy3+→Tb3+能量传递作用较强,Tb3+发光得到敏化增强。随着Dy₂O₃含量的增多,Tb3+→Dy3+能量传递作用增强。当Dy₂O₃含量超过0.4 mol%时,Tb3+→Dy3+能量传递强于Dy3+→Tb3+能量传递,减少了Tb3+的辐射跃迁发光,因此Dy3+/Tb3+共掺玻璃的发光强度开始减弱。由于Gd3+向Dy3+或Tb3+均可进行有效的能量传递,因此在以Gd3+的特征激发274 nm为激发光时,Dy3+/Tb3+共掺玻璃中出现了Dy3+和Tb3+对Gd3+传递能量的竞争。随着Dy₂O₃含量的增多,Tb3+所获得的能量不断减少,同时伴随着Tb3+→Dy3+能量回传和Dy3+之间的无辐射交叉弛豫作用,Dy3+/Tb3+共掺玻璃的发光强度不断减弱。对Dy3+/Tb3+共掺闪烁玻璃中Tb3+的5D₄→7F₅荧光衰减曲线分析还发现,随着Dy₂O₃含量的增多,Tb3+的荧光寿命从2.24 ms缩短到1.15 ms,曲线从单指数形式变为双指数形式,进一步证明玻璃中存在5D₄(Tb3+)→4F_9/2(Dy3+)的能量回传。X射线激发发射光谱显示,Dy3+的引入对Tb3+激活闪烁玻璃的辐射发光具有很强的负面影响,而这种负面影响不足以通过Dy3+→Tb3+能量传递来弥补,因此Dy3+/Tb3+共掺玻璃的辐射发光强度随着Dy₂O₃含量的增多而不断减弱。由此可见,在Tb3+激活硅酸盐氟氧闪烁玻璃中,不宜将Dy3+作为敏化剂,用于增强Tb3+的发光。     

Tb3+掺杂锂铝硅酸盐玻璃的光致发光和辐照致发光

采用熔融-淬冷法制备了Tb3+掺杂锂铝硅酸盐闪烁玻璃,用紫外激发光谱、发射光谱及荧光寿命表征了光致发光性能,用X射线和阴极射线激发测试了辐射致发光性能。研究结果表明：低Tb3+掺杂浓度时,随着其浓度增大,Tb3+间的交叉弛豫增加导致了5D₃→7F_j跃迁的能量逐渐向5D₄→7F_j迁移转变,5D₃激发态的荧光寿命和发射强度均明显下降,5D₄-7F_j发射强度逐渐增大。较高Tb3+浓度时,其浓度继续增加会提升非辐射比例,是荧光寿命降低和荧光猝灭的最主要原因。比较光致发光和辐照致发光性能,发现随着激发源的能量上升,会增加激发态5D₃能级向5D₄能级的能量转移,同时,由于玻璃的密度低会导致辐照致发光效率随激发源的能量上升而下降。     

微乳液法一步制备NaYF4∶Yb3+，Ho3+@Au

稀土氟化物纳米材料及其贵金属复合物具有独特的光、电、磁性质,在生物标记、光学储存、显示、防伪等领域有着广泛的应用,已成为材料科学领域的研究热点之一。采用微乳液法制备了NaYF₄∶Yb3+, Ho3+和NaYF₄∶Yb3+, Ho3+@Au复合材料,XRD测试表明NaYF₄∶Yb3+, Ho3+的结晶情况良好,无杂质峰,为立方相,NaYF₄∶Yb3+, Ho3+@Au产物的衍射峰中同时含有NaYF₄与Au两种晶相;SEM图像显示两种纳米粒子均为形貌、尺寸较为均一的球形粒晶为58 nm左右;上转换光谱中显示Ho3+在484, 682和767 nm处具有很高的发光强度,分别对应于5S₂→5I₈, 5F₅→5I₈, 5S₂→5I₇跃迁。     

基于对氨基苯甲酸和邻菲罗啉构筑的铕(Ⅲ)配合物的荧光传感

利用水热法合成了一种新的配合物,[Eu(PABA)₃(phen)(H₂O)]·2H₂O(1)(PABA= 对氨基苯甲酸根,phen=1,10-邻菲罗啉)。该配合物为单核分子,中心离子Eu3+的配位数9,环境为{EuO₇N₂},形成了一种扭曲的单帽四方反棱柱多面体。该配合物通过氢键进一步构筑成为三维超分子结构。配合物1在紫外灯下显现为亮红色,其荧光光谱在595和618 nm处出现了2条尖锐的发射峰,分别对应于Eu3+的5D₀→7F₁和5D₀→7F₂跃迁。研究了水溶液中不同阴离子、阳离子以及溶剂对配合物1荧光的影响,实验结果表明不同阴离子、阳离子和溶剂对该配合物的荧光强度有不同程度的影响,在各自实验条件下,F-,Pb2+和硝基苯对该配合物有显著的荧光猝灭效应。基于荧光猝灭机理,该配合物可作为F-,Pb2+和硝基苯的荧光探针。     

Tm3+/Ho3+掺杂碲酸盐玻璃的上转换发光性能与能量转换机制

采用高温熔融法制备了单掺Tm3+和Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐玻璃,测试了808 nm激光泵浦下玻璃的红外和上转换荧光光谱。Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐玻璃上转换荧光光谱主要由695 nm红光、544 nm绿光、474 nm蓝光和740 nm红光四个发光带组成。通过分析样品的光谱性能和能量转换机制,发现很少报道的740 nm红光可能是由Tm3+：1D₂ →3F_{2, 3}能级跃迁产生的。在掺杂0.5 mol％ Tm₂O₃的样品中添加0.3 mol％ Ho₂O₃,695 nm红光、740 nm红光和474 nm蓝光等上转换发光强度明显增大,大约分别是单掺0.5 mol％ Tm₂O₃样品中发光强度的3倍,2.5倍和14倍。这些情况说明存在着强烈的Ho3+→Tm3+反向能量传递。单掺Tm3+碲酸盐玻璃中1D₂能级(发射740 nm红光)上的粒子集居主要来源于合作上转换(CU)过程,而3F_{2, 3}能级(发射695 nm红光)上的粒子集居除了来源于CU过程之外,还有740 nm红光的发射和1G₄能级上部分粒子的无辐射跃迁(1G₄→3F_{2, 3})两条途径,因此样品中695 nm红光强度明显要大于740 nm红光强度。通过交叉驰豫作用CR2和CR3以及反向共振能量转移RET2,Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐玻璃中Tm3+的1G₄能级(发射474 nm蓝光)上的粒子集居数比单掺Tm3+时出现了净增加。Tm3+的1G₄能级上粒子集居数的增加可能进一步强化了该能级的无辐射跃迁、740 nm红光的发射以及CU过程,并进而促使Tm3+的3F_{2, 3}能级上的粒子集居。所以,当Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐玻璃与单掺Tm3+碲酸盐玻璃中掺杂相同浓度的Tm3+时,前者的红光和蓝光等上转换荧光强度均比后者要大。本文还研究了Tm3+之间以及Tm3+与 Ho3+之间的交叉弛豫和能量传递等效应,并进一步探讨了Tm3+与 Ho3+之间的能量转换机制。     

蓝光激发的Y2.93Al5O12∶0.07Ce3+黄色荧光粉的制备及光致发光

以Al₂(SO₄)₃·18H₂O、尿素为原料,采用水热-热解法制备了球形α-Al₂O₃粉体。以自制α-Al₂O₃、Y₂O₃及CeO₂为原料,固相法制备了白光LED用Y_2.93Al₅O₁₂∶0.07Ce3+黄色荧光粉,通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、X射线能谱（EDS）及荧光光谱（PL）等对产物的物相、形貌及光致发光性能进行了表征。结果表明：水热-热解法制备出了物相纯净、分散性良好的球形α-Al₂O₃粉体,以该α-Al₂O₃为原料,合成出可被460 nm蓝光有效激发,发射光谱为峰值在550 nm宽带的Y_2.93Al₅O₁₂∶0.07Ce3+荧光粉,色坐标为（0.453,0.531 9）,采用GSAS软件对Y_2.93Al₅O₁₂∶0.07Ce3+荧光粉的XRD图进行了Rietveld结构精修,精修图与XRD测试图完全吻合,Y,Al,Ce,O四元素均匀地分布在黄色荧光粉产物中,Y_2.93Al₅O₁₂∶0.07Ce3+黄色荧光粉的激发光谱由两个部分组成,在340和460 nm处有两个非常明显的吸收峰,Ce3+的4f能级由于自旋-耦合而劈裂为两个光谱支项2F_7/2和2F_5/2,其中2F_5/2为基谱项。340 nm的激发峰对应于2F_5/2→5D_5/2的跃迁,460 nm的激发峰属于2F_7/2→5D_3/2的跃迁,并且460 nm处的激发强度强于340 nm处激发强度。以460 nm为监测波长得到的发射光谱,最强发射峰位于550 nm,Y_2.93Al₅O₁₂∶0.07Ce3+荧光粉是一种适用于白光LED的高性能黄色荧光粉。     

碲化物发光玻璃中银纳米颗粒表面等离激元增强铒离子发光的研究

有趣的贵金属表面等离激元的光学性质,尤其是在发光增强领域的表现,使得它已经成为全球的一个研究热点。表面等离激元就是光与贵金属中的自由电子相互作用时,自由电子和光波电磁场由于共振频率相同而形成的一种集体振荡态。该文研究了碲化物玻璃中银纳米颗粒的表面等离激元共振增强铒离子的发光。我们测量了吸收谱、激发谱、发光谱以及荧光寿命。首先,我们挑选365.5和379.0 nm吸收峰作为激发波长测量了385～780 nm波长范围的可见发光光谱,发现有4个发光峰,依次位于408.0,525.0,546.0和658.5 nm,容易指认出它们依次为铒离子的2H_9/2→4I_15/2,2H_11/2→4I_15/2,4S_3/2→4I_15/2和4F_9/2→4I_15/2的荧光跃迁;可以计算出[80 nm平均粒径纳米银的Er3+(0.5%)Ag(0.2%): 碲化物玻璃的样品A]的上述4个可见发光的峰值强度是[Er3+(0.5%): 碲化物玻璃的样品C]的大约1.44～2.52倍。同时,[50 nm平均粒径纳米银的Er3+(0.5%)Ag(0.2%): 碲化物玻璃的样品B]的上述4个可见发光的峰值强度是样品C的大约1.08～1.55倍。随后,我们挑选365.5和379.0 nm 吸收峰作为激发波长测量了928～1 680 nm波长范围的近红外发光光谱,发现近红外波段有两个发光峰,位于979.0和1 530.0 nm,容易指认出它们依次为铒离子的4I_11/2→4I_15/2和4I_13/2→4I_15/2的荧光跃迁;同样可以计算出样品A的上述2个近红外发光的峰值强度是样品C的大约1.43～2.14倍。同时,样品B的上述2个近红外发光的峰值强度是样品C的大约1.28～1.82倍。因此,发光的最大增强大约是2.52倍。从荧光寿命动力学实验,我们发现样品A的荧光寿命为τ_A(550)=43.5 μs,样品B的荧光寿命为τ_B(550)=43.2 μs,样品C的荧光寿命为τ_C(550)=48.6 μs。这些实验结果证实了τ_A≈τ_B ＜τ_C。它意味着样品(B)相对于样品(C)的发光增强是源于自发辐射增强效应。然而,它也意味着样品(A)相对于样品(B)的发光增强是源于纳米银颗粒的粒径尺寸r效应。也就是说当粒径尺寸r增大的时候,散射截面C_s和r6成正比,而吸收截面C_a和r3成正比,因此散射截面C_s增大的速度会远大于吸收截面C_a增大的速度,而散射截面C_s是荧光增强的原因,吸收截面C_a是荧光减弱的原因,所以随着银纳米颗粒尺寸的增大,其散射截面占主要部分,当发光材料和金属表面等离子体SP发生耦合时,能量快速的转移到金属表面等离子体SP上,而后被散射到远场,这有利于增强荧光。其综合的结果就导致了发光强度会随r的增大而增强。上述实验的结果对太阳能电池的光伏发电和生物物理应用等领域都有着很好的应用前景。     

Eu掺杂Si纳米线的光致发光特性

利用Si(111)衬底, 以Au-Al为金属催化剂, 基于固-液-固生长机理, 在温度为1100℃, N₂气流量为1.5 L/min、生长时间为30–90 min等工艺条件下, 制备了直径约为100 nm、长度为数微米的高密度、均匀分布、大面积的Si纳米线(～10¹⁰ cm^-2). 对Si纳米线进行了Eu掺杂, 实验研究了不同长度的Si纳米线以及不同掺杂温度、掺杂时间等工艺参数对Eu离子红光发射的影响, 利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪对Si纳米线表面形貌和Eu掺杂后Si纳米线的结晶取向进行了测量和表征; 室温下利用Hitachi F-4600型荧光分光光度计对样品的激发光谱和发射光谱进行了测试和分析. 结果表明: 在Si纳米线生长时间为30 min、掺杂温度为1000℃、 最佳激发波长为395 nm时, 样品最强荧光波长为619 nm (⁵D₀→⁷F₂); 同时, 还出现了576 nm (⁵D₀→⁷F₀), 596 nm (⁵D₀→⁷F₁), 658 nm (⁵D₀→⁷F₃)和708 nm (⁵D₀→⁷F₄)四条谱带.     

Ce掺杂Si纳米线的制备及其蓝光发射特性

以抛光和“金字塔”织构表面的单晶Si(100)为衬底,分别以Au和Au-Al为金属催化剂,在温度为1 100 ℃、N₂气流量为1 500 sccm、生长时间为15～60 min等工艺条件下,制备了直径约为50～200 nm、长度为数微米至数十微米和不同分布的Si纳米线。然后,利用CeO₂粉末为掺杂剂,在温度为1 100～1 200 ℃、N₂流量为1 000 sccm、掺杂时间为30～60 min等工艺条件下对Si纳米线进行Ce掺杂。实验研究了不同Si纳米线长度、密度和分布等对Ce3+蓝光发射的影响。室温下利用Hitachi F-4600型荧光分光光度计对样品的激发光谱和发射光谱进行了测试和分析,同时利用FLS920全功能型荧光光谱仪对样品的荧光量子效率进行了测试。结果表明,在Si纳米线生长时间为30 min、织构表面和密度相对较低时以及最佳激发光波长为328 nm时,样品发射光波长为405 nm(5d→2F_5/2)荧光强度较大,实现了强的蓝光发射,其荧光量子效率达到了65.57%。通过光谱功率分布和CIE-1931标准公式进行计算,Ce掺杂Si纳米线样品的色坐标为(0.16, 0.03);发光强度大,量子效率高使其在照明、显示等领域有着潜在的应用价值,同时对Si纳米线在发光领域的研究和应用具有一定的参考价值。     

Tb掺杂Si纳米线的光致发光特性

以金属Au-Al为催化剂,在温度为1 100 ℃,N₂气流量为1 500 sccm、生长时间为30 min,从Si(100)衬底上直接生长了直径约为50～120 nm、长度为数百纳米的高密度、大面积的Si纳米线。然后,利用Tb₂O₃在不同温度(1 000～1 200 ℃)、掺杂时间(30～90 min)和N₂气流量(0～1 000 sccm)等工艺条件下对Si纳米线进行了Tb掺杂。最后,对Si(100)衬底进行了Tb掺杂对比。室温下,利用荧光分光光度计(Hitachi F-4600) 测试了Tb掺杂Si纳米线的光致发光特性。实验研究了不同掺杂工艺参数(温度、时间和N₂气流量)对Tb3+绿光发射的影响。根据Tb3+能级结构和跃迁特性对样品的发射光谱进行了分析。结果表明,在温度为1 100 ℃,N₂气流量为1 500 sccm、时间为30 min等条件下制备的Si纳米线为掺杂基质,Tb掺杂温度为1 100 ℃,N₂气流量为1 000 sccm、光激发波长为243 nm时,获得了最强荧光发射,其波长为554 nm(5D₄→7F₅),同时还出现强度相对较弱的494 nm(5D₄→7F₆),593 nm(5D₄→7F₄)和628 nm(5D₄→7F₃)三条谱带。Tb掺杂的体Si衬底在波长554 nm处仅有极其微弱的光致发光峰。     

4,4’-联吡啶桥联的链状Zn(Ⅱ)配合物：合成、晶体结构和对Tb(Ⅲ)离子的荧光敏化

以硝酸锌与3,4’-联苯二甲酸(3,4’-H₂dpdc),4,4’-联吡啶(4,4’-bpy)为反应物,以水为溶剂,适当调节pH值,通过水热反应,得到配合物[Zn(3,4’-Hdpdc)₂(4,4’-bpy)](Zn-MOF)。利用X射线单晶衍射测试分析确定了该配合物是由4,4’-bpy配体桥联Zn(Ⅱ)离子形成的 “Z”形链结构,属于单斜晶系,C2/c空间群。在278 nm激发下,Zn-MOF的荧光发射光谱在341～537 nm范围出现宽发射峰,最强发射峰波长406 nm,属于配体的π*-π跃迁。研究了该配合物对Tb(Ⅲ)离子发光性能的影响。实验结果表明,Zn-MOF可敏化甲醇和水溶液中的Tb(Ⅲ)离子,使Tb(Ⅲ)离子的特征荧光发射峰增强。在荧光光谱490,545,585和624 nm出现强的线状发射峰,对应于Tb(Ⅲ)离子的5D₄→7F_J (J=6～3)跃迁。最强发射峰位于545 nm (5D₄→7F₅),为绿光。Zn-MOF可用作荧光探针检测甲醇和水溶液中的Tb(Ⅲ)离子。     

双酰胺配体铕和铽混合固态配合物的光谱研究

在氯仿和乙酸乙酯溶液中合成了以1,6-二[(2’-苄胺甲酰基)苯甲氧基]己烷(L)为配体的硝酸铕和硝酸铽配合物,以及不同摩尔比的铕和铽的共沉淀配合物,又按不同的摩尔比将单一的硝酸铕和硝酸铽配合物通过研磨混合,得到混合固态的铕铽配合物。通过元素分析、红外光谱、紫外光谱、XPS 光电子能谱对配合物进行了表征,结果表明：单一稀土硝酸盐与配体形成的是2∶3型的配合物;所有的配合物都具有相似的配位结构;与单一稀土配合物相比,相同摩尔比的混合配合物的紫外吸收有所降低;混合配合物中发生了一定的化学键合作用,电子结合能有变化。通过荧光光谱对这些配合物的荧光性质进行了详细的研究, 表明与单一的铕和铽配合物相比,两种混合固态配合物无论是荧光发射峰位还是荧光强度均发生了明显变化,铽对铕的荧光强度有很强的敏化作用,铕对铽的荧光强度有猝灭作用。在紫外灯的照射下,共沉淀配合物的荧光颜色随着摩尔比的变化呈现有规律的变化。     

变色尖晶石的光谱学特征及变色机理研究

尖晶石作为一种珍贵的宝石材料，因其瑰丽的颜色外观和悠久的历史而广受称赞。变色效应作为宝石学中一种常见的光学现象，在变石，蓝宝石，尖晶石，石榴石等宝石中都可以出现。通常将宝石的变色效应归结为Cr离子和V离子所致，但是目前有关变色尖晶石的报道较少，缺乏致色元素和变色机理的研究。本次研究对象是一颗具有变色效应的尖晶石(在D65光源下呈蓝色，在A光源下呈蓝紫色)，和两颗不具有变色效应的蓝色尖晶石(两种光源下色调无明显变化)。运用电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)、紫外可见光谱仪、拉曼光谱仪、光致发光光谱仪获取样品的成分和光谱信息。LA-ICP-MS化学成分测试结果表明，三颗尖晶石均为镁铝尖晶石，主要化学成分为MgO和Al₂O₃，并含有Fe，V，Cr，Co和Zn等微量元素，在变色尖晶石中含有较多的Fe离子和微量的Co离子，不含有Cr离子，并且变色尖晶石与无变色效应的蓝色尖晶石中V离子含量相近。变色尖晶石紫外可见吸收光谱具有位于387, 461, 478, 527, 559, 590, 627和668 nm处的吸收峰，其中387, 461, 478和668 nm吸收峰与Fe离子有关。559，590和627 nm处的吸收峰是由Co离子d轨道电子自旋允许跃迁4A₂→4T₁(4P)并经自旋-轨道耦合作用分裂所致。此外，四面体配位中的Fe2+ d—d自旋禁阻跃迁5E(D)→3T₁(H)同样在559 nm处产生吸收峰。由Co离子和Fe离子共同作用，在559 nm附近产生的吸收宽带是尖晶石产生变色效应的主要原因。拉曼光谱测试结果显示变色尖晶石与其他两颗蓝色尖晶石无差异，可见311，405，663和765 cm-1四个特征拉曼位移峰，依次对应F_2g(1), E_g, F_2g(3)和A_1g振动。光致发光光谱(PL)测试发现变色尖晶石中处于T_d对称位置的Co2+的4T₁(P)能级会分裂成为三个子能级，电子由三个4T₁(P)激发态的子能级回落到4A₂(F)基态而产生位于686，650和645 nm处的发光峰。变色尖晶石中Co离子含量很低，并且Fe离子含量较高，受到Fe离子荧光猝灭作用，样品无红色发光现象。