薄膜太阳电池用纳米上转换材料制备及其特性研究

以应用于薄膜太阳电池为目的,采用水热法制备了掺杂稀土离子的纳米氟化钇钠上转换荧光材料.研究了稀土离子Yb³⁺/Er³⁺单独和共同掺杂对材料的晶体结构和光学性质的影响.制备的Yb^3＋/Er^3＋共掺材料兼顾了两种稀土离子的光吸收谱,吸收980nm和1530nm附近的红外光,并发出能够被薄膜太阳电池有效吸收利用的红光(653nm)和绿光(520,540nm).优化出较为合适的18％Yb³⁺,2％Er³⁺的掺杂比例,获得了具有较好上转换效果的纳米荧光颗粒材料.     

Er3+单掺及Er3+/Yb3+共掺SiO2-Al2O3-La2O3玻璃光谱性质研究

研究了单掺Er³⁺及Er³⁺/Yb³⁺共掺SiO₂-Al₂O₃-La₂O₃玻璃的光谱性质随稀土离子浓度变化规律,应用McCumber理论计算了玻璃在1.53 μm的发射截面及积分吸收截面.结果表明:在Er³⁺离子掺杂浓度相同时,玻璃在980 nm吸收截面与Yb³⁺掺杂浓度成反比;当样品中Yb³⁺离子掺杂浓度为3.94×10²⁰ cm^-3时,玻璃在1.53 μm的吸收截面和发射截面最大,在1.40～1.60 μm积分吸收截面也最大;Er³⁺/Yb³⁺共掺SiO₂-Al₂O₃-La₂O₃玻璃在1.53 μm的荧光半高宽随Er³⁺掺杂浓度升高而增加,当Er³⁺离子掺杂浓度为2.41×10²⁰ cm^-3时,玻璃的荧光半高宽(FWHM)达到52.5 nm.     

Tm3+/Yb3+ ∶LaF3纳米体系中掺杂Yb3+ 离子对Tm3+ 离子荧光发射的影响

为研究Yb³⁺离子浓度变化对Tm³⁺离子在蓝色波段荧光强度的影响,以NaF和La(NO₃)₃为原料,采用水热法制备了Tm³⁺和Yb³⁺共掺的Tm³⁺/ Yb³⁺∶LaF₃纳米颗粒.用X射线衍射对LaF₃纳米颗粒进行表征的结果显示,纳米晶体结构呈六方相.透射电镜的观测结果显示,纳米颗粒样品大小均匀、分散性良好.在波长为800 nm的激光激发下,观测到了上转换蓝光发射,其中包括波长为474 nm和479 nm的较强的荧光辐射(相应的跃迁为1G4→3H6)和波长位于450 nm的强度较弱的荧光发射(相应的跃迁为1D2→3F4).通过观测不同Yb³⁺离子浓度条件下共掺Tm³⁺/Yb³⁺∶LaF₃样品的荧光光谱,研究了Yb³⁺离子掺杂浓度对于Tm³⁺离子的荧光发射的影响,并探讨了产生这种现象的原因.研究结果显示,对于1G4→3H6跃迁产生的荧光发射(474 nm),当Yb³⁺离子浓度增大时,反向能量传递速率的增加导致了荧光强度的增大.然而,当Yb³⁺离子浓度增大到一定程度时,Yb³⁺离子激发态能级寿命的减少将引发荧光强度的下降.相比较而言,Yb³⁺离子的浓度的变化对于1D2→3F4跃迁产生的位于450 nm处荧光强度的影响较弱.     

Er3+/Ce3+共掺TeO2-Bi2O3-TiO2玻璃的热稳定性和光谱特性研究

用高温熔融法制备了Er³⁺/Ce³⁺共掺新型碲酸盐玻璃(TeO₂-Bi₂O₃-TiO₂).采用差热分析方法研究了玻璃的热稳定性,测试并分析了不同Ce³⁺离子掺杂浓度下Er³⁺离子的吸收光谱、上转换光谱和荧光光谱特性.研究结果表明,制备的碲酸盐玻璃具有很好的热稳定性,玻璃析晶温度Tx与玻璃转变温度Tg之差(ΔT=Tx-Tg)达到了185 ℃,高于其它文献的报道|同时,Ce3+离子共掺引入的能量转移(Ce³⁺∶2F5/2+Er³⁺∶4I11/2→Ce³⁺∶2F7/2+Er³⁺∶4I13/2)有效地抑制了Er³⁺离子上转换发光并显著增强了1.53 μm波段荧光强度,而发射截面随着Ce³⁺离子掺杂浓度相应增大.优异的热稳定性以及光谱性能揭示Er³⁺/Ce³⁺共掺碲酸盐玻璃是一种潜在的制备宽带掺铒光纤放大器的理想增益介质.     

Er3+/Ce3+共掺碲铋酸盐玻璃的制备及光谱特性提高研究

采用高温熔融退火法制备了系列 80TeO₂-10Bi₂O₃-10TiO₂-0.5Er₂O₃-xCe₂O₃ (x=0,0.25, 0.5,0.75,1.0 mol%)和(80-y) TeO₂-10Bi₂O₃-10TiO₂-yWO₃-0.5Er₂O₃-0.75Ce₂O₃ (y=3,6,9,12 mol%)的碲铋酸盐玻璃.测试了玻璃样品400-1700 nm范围内的吸收光谱, 975 nm抽运下的上转换发光谱和1.53 μm波段荧光谱, 以及808 nm激励下的Er³⁺离子荧光寿命和无掺杂玻璃样品的Raman光谱, 并结合Judd-Ofelt理论和McCumber理论计算了Er³⁺离子光谱参数.结果表明, 在掺Er³⁺碲铋酸盐玻璃中引入Ce³⁺离子进行Er³⁺/Ce³⁺共掺, 通过Er³⁺离子⁴I_11/2能级与Ce³⁺离子²F_5/2 能级间基于声子辅助的能量传递过程,可以有效抑制Er³⁺离子上转换发光并明显增强其 1.53 μm波段荧光;同时,在现有Er³⁺/Ce³⁺共掺玻璃组分基础上引入WO₃, 可进一步提高1.53 μm波段荧光并展宽其荧光发射谱. 研究结果对于获取优异光谱特性的宽带掺Er³⁺光纤放大器玻璃基质具有实际意义.     

Er3+及Er3+/Yb3+掺杂ZrO2-Al2O3的制备及发光性质

采用共沉淀法制备了纳米晶ZrO₂-Al₂O₃∶Er³⁺发光粉体.所制备的粉体室温下具有Er3+离子特征荧光发射,主发射在绿光,其中位于547 nm、560 nm的绿光最强,并得出稀土离子与基质之间有能量传递.对不同煅烧温度下的样品研究表明:因不同温度下所制得的样品晶相不同.研究了纳米晶ZrO2-Al2O3∶Er3+及ZrO₂-Al₂O₃∶Er³⁺/Yb³⁺的上转换发光,并分析了上转换的跃迁机制.发现ZrO₂-Al₂O₃∶Er³⁺的绿光为双光子过程,而ZrO₂-Al₂O₃∶Er³⁺、Yb³⁺的上转换光谱中,红光和绿光也为双光子过程,而极弱的蓝光为三光子过程.讨论了Er³⁺的浓度猝灭现象.最适宜掺杂浓度的原子分数为2%（Er³⁺/Zr⁴⁺）.     

Tm3+/Yb3+共掺碲酸盐玻璃的近红外发光及能量传递机理

采用高温熔融法制备了组分为TeO₂-ZnO-Na₂O的Tm³⁺离子单掺和Tm³⁺/Yb³⁺共掺碲酸盐玻璃,应用Judd-Ofelt理论计算分析了玻璃样品的强度参量Ω_t(t=2, 4, 6),自发辐射跃迁几率A,荧光分支比β和荧光辐射寿命τ_rad等光谱参量,测量得到了不同Yb³⁺离子掺杂浓度下玻璃样品的Tm³⁺离子上转换发光谱.结果显示,在980 nm泵浦光激励下玻璃样品发射出强烈的近红外上转换荧光.对Tm³⁺离子上转换发光分析表明,强烈的Tm³⁺离子近红外上转换发光主要来自于Yb³⁺/Yb³⁺离子间的共振能量传递以及基于单声子和双声子辅助的Yb³⁺/Tm³⁺离子间的非共振能量传递过程,并进一步计算得到了声子贡献比和能量传递系数.最后,计算分析了Tm³⁺:³F₄→³H₆能级间跃迁的1.8 μm波段吸收截面、受激发射截面和增益系数.研究表明,Yb³⁺/Tm³⁺共掺TeO₂-ZnO-Na₂O玻璃可以作为近红外波段固体激光器的潜在增益基质.     

LD抽运Er3+，Yb3+共掺磷酸盐玻璃被动调Q激光器的理论分析和数值计算

研究了以Co²⁺:MgAl₂O₄晶体为饱和吸收体的LD抽运Er³⁺,Yb³⁺共掺磷酸盐玻璃激光器.针对双掺离子之间的能量传递和Er³⁺的多种跃迁过程，结合Co²⁺:MgAl₂O₄晶体中Co²⁺离子的饱和吸收特性，给出了详尽的速率方程，在其基础上进行了数值分析，分析了输出镜透过率、激光介质长度、谐振腔长度、腔内往返损耗、饱和吸收体长度对激光阈值、峰值功率、单脉冲能量以及脉冲宽度的影响.     

掺铒硫系玻璃的制备及其微结构光纤的中红外信号放大特性研究

为进一步揭示硫系玻璃基掺Er³⁺微结构光纤对于中红外波段信号的放大特性, 采用熔融淬火法研制了Er³⁺离子掺杂的Ga₅Ge₂₀Sb₁₀S₆₅硫系玻璃, 测试了玻璃样品的吸收光谱和2.7 μm波段荧光光谱, 利用Judd-Ofelt和Futchbauer-Ladenburg理论分别计算得到了Er³⁺离子的辐射跃迁概率、辐射寿命以及2.7 μm波段受激发射截面. 在此基础上, 建立了一个980 nm抽运下该玻璃基掺Er³⁺微结构光纤2.7 μm波段中红外信号的放大模型, 理论上研究了其作为2.7 μm波段中红外信号增益介质时的光放大特性. 结果显示, 硫系玻璃基掺Er³⁺微结构光纤具有优异的高增益和宽带放大品性. 在200 mW抽运功率激励下的100 cm光纤长度上, 最大小信号增益超过了40 dB, 高于30 dB信号增益的放大带宽达到了120 nm (2696—2816 nm). 研究表明, Ga₅Ge₂₀Sb₁₀S₆₅硫系玻璃基掺Er³⁺微结构光纤是一种理想的可应用于2.7 μm波段中红外宽带放大器的增益介质.     

OH-对磷酸盐铒玻璃光谱性质的影响

本文系统研究了Yb³⁺、Er³⁺共掺磷酸盐铒玻璃中OH^-含量与铒玻璃荧光寿命和光谱性质的关系.结果表明OH^-基团的存在使得Er³⁺离子的荧光强度显著降低,荧光寿命大大缩短.比较了三种不同Al₂O₃含量(5mol%,8mol%和13mol%)的铒玻璃在2.9μm波长处的红外吸收系数与铒离子荧光寿命的关系,发现玻璃中OH^-在2.9μm的吸收系数和Er³⁺的⁴Ⅰ_13/2能级离子衰减速率成线性关系,不同Al₂O₃含量的玻璃具有不同Er³⁺和OH^-基团的相互作用参量和不同的荧光寿命值及量子效率.并从玻璃结构上解释了Al₂O₃含量对除水机制和光谱性质的影响.经过充分除水后的铒玻璃荧光寿命可达到9.1ms.     

Er3+/Yb3+共掺NaYF4/LiYF4微米晶体的上转换荧光特性

采用水热法成功制备了Er³⁺/Yb³⁺共掺杂的NaYF₄和LiYF₄微米晶体. 通过X射线衍射仪和环境扫描电子显微镜对样品的晶体结构及形貌进行表征. 实验结果表明: 六方相NaYF₄微米晶体为棒状结构, 而四方相LiYF₄微米晶体则为八面体结构. 在近红外光980 nm激发下, NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺和LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺ 微米晶体均展现出很强上转换荧光发射. 且NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺微米晶体的荧光发射强度大约是LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺微米晶体的2倍, 但红绿比明显较低. 根据荧光光谱, 并借助激光光谱学及发光动力学深入探讨基质变化及表面修饰剂乙二胺四乙二酸(EDTA)对荧光特性的影响. 实验结果发现: 影响荧光强度的主要因素是基质环境的局域对称性, 而导致不同红绿比则是由于样品表面较多的EDTA分子所引起. Er³⁺掺杂的NaYF₄和LiYF₄ 微米晶体呈现出很强的绿光发射可被应用于全色显示, 荧光粉和微光电子器件中.     

氨基磷酸辅助的水热合成NaYF4:Yb3+,Er3+纳米晶及其上转换发光

以氨基磷酸为螯合剂,通过共沉淀与水热法相结合,成功地制备出NaYF4:Yb3+,Er3+纳米晶.研究结果表明:水热前后NaYF4:Yb3+,Er3+纳米晶均为立方相结构,其颗粒大小约为80nm.在980 nm近红外光激发下,实现了样品的上转换发光.样品的上转换绿红光发射带归因于Er3+的2H11/2,4S3/2→4 I...     

Green and red up-conversion emissions of Er–Yb Co-doped TiO2 nanocrystals prepared by sol–gel method

In this paper, green and red up-conversion emissions of Er³⁺–Yb³⁺ co-doped TiO₂ nanocrystals were reported. The phase structure, particle size and optical properties of Er³⁺–Yb³⁺ co-doped TiO₂ nanocrystals samples were characterized by using X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), UV–vis–NIR absorption spectra and photoluminescence (PL) spectra. Green and red up-conversion emissions in the range of 520–570 nm (²H_11/2, ⁴S_3/2→⁴I_15/2) and 640–690 nm (⁴F_9/2→⁴I_15/2) were observed for the Er³⁺–Yb³⁺ co-doped TiO₂ nanocrystals. The visible up-conversion mechanism and temperature dependence of up-conversion emission for Er³⁺ in TiO₂ nanocrystals were discussed in detail.     

氮气氛中高温退火对NaYF4:Yb3+,Er3+纳米粒子上转换发光的影响

以柠檬酸三钠为螯合剂,采用共沉淀和水热相结合的方法成功制备出尺寸为40 nm的NaYF4:Yb3+Er3+纳米粒子.将得到的部分样晶在300℃氮气保护下退火2h.退火前后的样品晶体结构都属于立方相,尺寸保持在40 nm左右.在980 nm光激发下,退火后样品的上转换发光整体强度和绿光相对发射强度明显增强.分析认为高温退...     

微乳液法制备NaYF4：Yb3+, Er3+粉体及其发光性能

采用微乳液法制备了纯相立方和六方晶相NaYF₄：Yb³⁺,Er³⁺发光材料,微乳液体系选择了CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）-正丁醇-正辛烷-水。研究了NaF/Y³⁺比例、反应温度、反应时间和体系pH值等对相形成的影响,以及陈化、后续热处理温度和时间对颗粒尺寸和发光性能的影响。结果表明：在NaF/Y³⁺比例小于5、体系pH=5~6、反应温度为140 ℃、反应时间为24 h的条件下,可得到立方相α-NaYF₄：Yb³⁺,Er³⁺,粒径约为200 nm;在NaF/Y³⁺比例大于5、体系pH=1~4、反应温度为160 ℃、反应时间为60 h以上的条件下,可得到六方相β-NaYF₄：Yb³⁺,Er³⁺,粒径约为1 μm。样品在980 nm激光激发下,在521,529,541,549 nm 处有发光峰,最强发光峰为541 nm,表现为明亮的绿色。     

单颗粒稀土微/纳晶体上转换荧光行为的光谱学探究

利用激光共聚焦显微镜系统研究了系列单颗粒NaYF_4:Yb/Er微晶的上转换荧光强度、空间分布和动力学过程.结果表明:荧光强度和动力学过程不但依赖于样品的长径比,而且依赖于样品的具体制备途径.荧光强度和红色荧光寿命随样品长径比的增大而增大,在具有相同长径比的NaYF_4:Yb/Er微米棒中,相比于调柠檬酸的量,调控pH制备的样品展示了更优异的上转换荧光特性.更有趣的是:不同样品的荧光图案展示了异向空间分布,暗示了其在编码和显示等领域的应用优势.荧光特性依赖于样品长径比和制备过程的物理机理被进一步研究和揭示:在微米晶体内,荧光强度主要依赖于样品的晶格内Na~+缺陷的数量.该研究为高效上转换荧光材料的合成积累了数据,而NaYF_4:Yb/Er微晶中红色荧光寿命对晶格缺陷更加敏感的特性也可能使其成为晶格结晶度的探针.     

核壳纳米结构壳中Yb离子对稀土上转换发光温度特性的影响

采用油酸盐法分别制备出均匀的上转换发光裸核纳米粒子及其包覆具有不同Yb³⁺浓度掺杂的NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺核壳纳米结构的上转换纳米粒子。在不同温度下(90~450 K),研究分析了在壳中掺杂不同浓度Yb³⁺的NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺@NaYF₄:x%Yb³⁺核壳纳米体系的上转换发光特性。结果表明:在NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺上转换体系中,惰性壳中的525 nm(²H_11/2 →⁴I_15/2)发射峰呈现出与活性壳中不一样的趋势。壳层中掺杂的Yb³⁺通过声子对纳米粒子内部发光与表面及外界之间的相互作用起到了重要的"桥"连作用。     

NaYF_4∶Yb~(3+),Tm~(3+)/CdSe纳米异质结构的近红外上转换发光性能

采用两步高温热分解法合成了纳米异质结构的Na YF4∶Yb3+,Tm3+/Cd Se。X射线衍射测试结果表明样品由纯六角相的Na YF4(β-Na YF4)和纤锌矿型Cd Se组成。980 nm激发的上转换光谱表明Na YF4∶Yb3+,Tm3+和Cd Se之间存在能量传递,Tm3+将Yb3+传递给它的能量部分地传递给Cd Se,被激发的Cd Se又将能量回传给Tm3+的相应能级,最终使得Na YF4∶Yb3+,Tm3+的紫外和蓝光发射完全消失,而797 nm的近红外发射大幅增强。Na YF4∶Yb3+,Tm3+/Cd Se纳米异质结构的激发光和发射光均处于生物组织的光学透过窗口(700~1 100 nm),对生物组织的光损伤小,在生物医学领域有很大的应用潜力。     

Zr4+掺杂对Er3+/Yb3+共掺NaYF4微晶晶相和发光性能的影响

采用油酸辅助的水热法制备了Er³⁺/Yb³⁺共掺NaYF₄微晶,通过在反应体系中引入Zr⁴⁺离子,实现了NaYF₄微晶的晶相控制和上转换发光增强。X-射线衍射和扫描电镜结果表明：Zr⁴⁺离子的引入能够明显加快立方相α-NaYF₄向六方相β-NaYF₄的相转变过程。当Zr⁴⁺离子的引入摩尔分数为5%时,获得了纯的六方相β-NaYF₄微晶。Er³⁺/Yb³⁺共掺NaYF₄微晶在980 nm激光泵浦下,观察到强的上转换绿光和红光发射,且上转换发光强度随着Zr⁴⁺离子添加量的增加逐渐增大。     

NaYF4∶Yb3+/Eu3+上转换发光微纳粒子在防伪识别中的应用研究

稀土掺杂上转换发光微纳粒子在防伪识别方面有着巨大的应用前景。首先采用水热合成法制备了NaYF₄∶Yb3+/Eu3+微纳粒子,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)对NaYF₄∶Yb3+/Eu3+微纳粒子的尺寸、形貌和结晶度等方面进行了研究,同时使用980 nm的泵浦源对NaYF₄∶Yb3+/Eu3+微纳粒子的发光性能进行了分析;其次将NaYF₄∶Yb3+/Eu3+微纳粒子与酒精按一定比例混合制成丝网印刷剂,结合网络定制的丝网模版在纸上印制了不同字样的防伪图案,风干后将字样暴露在980 nm的激光辐照下,并使用相机对其进行成像研究;最后将印制的字样分成两部分,一部分保存在室内25 ℃恒温环境下,另外一部分保存在冬季一月份室外自然环境下,保存地点均为西安市,一周后对不同环境下的字样再次使用完全相同的实验仪器进行成像测试。实验及测试结果显示,NaYF₄∶Yb3+/Eu3+微纳粒子与NaYF₄标准卡的衍射峰完全一致,没有其他杂质产生;实验合成的微纳粒子外形均为六方体,且平均长度和横截宽度分别为209和175 nm,微纳晶体表面光滑、无缺陷、未弯曲、结晶度较高、分散性较好,电子衍射环与NaYF₄∶Yb3+/Eu3+微纳粒子的312,300和302晶面相对应;NaYF₄∶Yb3+/Eu3+微纳粒子受掺杂离子的影响,在不同的能级跃迁下分别产生蓝、绿、黄、红四种可见光,通过对NaYF₄∶Yb3+/Eu3+微纳粒子荧光光谱分析,Eu3+非对称性比率约为1,表明磁偶极子跃迁与电偶极子跃迁相当;NaYF₄∶Yb3+/Eu3+微纳粒子制成的丝网印刷剂在不同环境下成像结果良好均清晰可见、容易辨识,但受存放环境影响,室内成像结果与最初的成像结果相比变化不大,室外所有成像字符受到自然环境下水汽的影响,亮度均略有下降,但仍能识别。成像结果表明,所制备的NaYF₄∶Yb3+/Eu3+微纳粒子在防伪识别方面具有稳定性、可靠性等特点,但仍受到影响程度可控的自然环境因素影响。综合来看,其在防伪识别方面有着很大的应用前景。