Eu~(3+)/Yb~(3+)共掺杂ZrO_2粉末的制备和发光性质研究

利用共沉淀方法制备了Eu3+/Yb3+单掺和共掺的ZrO2粉体材料,研究了煅烧温度和掺杂浓度对结构和发光性质的影响。XRD结果表明:所制备单掺样品含有单斜相和四方相2种不同结构,随着热处理温度的升高,四方相向单斜相转变,经1 150℃处理后,四方相消失,呈现单一的单斜相;Yb3+离子的掺入有稳定ZrO2四方相的作用,随着掺杂浓度的增加,单斜相转变为四方相。由于晶相的不同,Eu3+处在四方相和单斜相2种发光中心,二者发光性质不同。Eu3+/Yb3+共掺后,在270 nm激发Eu3+时,观测到了Yb3+在近红外波段(980 nm)的发光,同时证实Eu3+的激发光谱和Yb3+的激发光谱相一致,表明存在Eu3+到Yb3+的能量传递,交叉弛豫和共合作能量传递过程是其可能的能量传递机理。     

高浓度敏化剂掺杂的NaYF4∶Yb3+,Er3+纳米材料的合成及发光性能研究

为了探究泵浦功率对不同浓度敏化剂离子掺杂的上转换材料发光特性的影响,采用溶剂热法,成功制备了不同浓度敏化剂Yb3+掺杂的NaYF₄∶Yb3+, Er3+上转换纳米颗粒。首先对这种纳米晶体的结构和形貌进行了详细的分析,使用X射线粉末衍射仪和透射电子显微镜测试了制备的纳米晶体的结构和形貌。表征结果证明了制备的纳米颗粒均为结晶性良好、形状规则的六方相纳米晶体,随着Yb3+掺杂浓度的提高,纳米晶体的粒径有所增加。在此基础上,通过控制泵浦功率对不同浓度敏化剂Yb3+掺杂的NaYF₄∶Yb3+, Er3+上转换纳米颗粒在980 nm激发光下的光致发光特性做了详细的研究。对于不同浓度敏化剂掺杂的样品,随着泵浦功率的提高,上转换发光的强度增强,这可以归因于高泵浦功率促进材料对激发光的吸收。上转换发光的红绿比也得到了提高, 值得注意的是, 在不同浓度敏化剂Yb3+掺杂的样品中,发光的红绿比改变的程度和可调谐的范围有所不同。为了深入的了解上转换发光机制,对不同浓度样品中可能发生的电子能量传递机制进行了讨论并提出假设,认为上转换发光过程中,不同浓度样品中红绿比变化程度的不同是发光离子组合之间的平均距离和包括多声子弛豫、交叉弛豫和反向能量传递的非弛豫过程的综合作用。在低浓度敏化剂掺杂的样品中,由于掺杂浓度导致Yb3+和Er3+之间的平均距离较大,反向能量传递过程比较微弱。在非弛豫过程中,发生在同一发光中心Er3+上的多声子弛豫和相邻发光中心Er3+之间的交叉弛豫为主要过程。随着泵浦功率的提高,高能级的布居速率增加减弱了非辐射弛豫对发光的影响,材料的红绿比只有微弱的提高,绿光是上转换发光中的主要成分。随着掺杂浓度的提高,敏化剂离子Yb3+和激活剂离子Er3+之间的平均间距减小,反向能量传递过程得到增强,成为非辐射弛豫过程中的主要部分。由于泵浦功率增强而提高的高能级对上转换发光的贡献,通过相邻敏化剂和激活剂离子之间的反向能量传递过程得到迅速的衰减,使红光成为上转换发光中的主要成分。在980 nm的近红外光激发下,在不同浓度Yb3+掺杂的样品中存在不同侧重的非辐射弛豫过程, 由于多声子弛豫、交叉弛豫和反向能量传递共同作用,红绿比随着泵浦功率提高而增加。这种发光特性不但使得我们得到红光性能更好的上转换荧光材料,而且可以通过测定材料的红绿比来判定材料的掺杂浓度。经过进一步的设计和修饰,这种纳米材料很有潜力作为一种多功能光动力治疗纳米平台在生物检测领域中得到应用。不同浓度样品中可能发生的电子能量转移过程的提出,有利于对上转换发光机理的了解和稀土发光离子组合的设计和优化。     

下转换材料β-NaYF4:Tb3+,Yb3+的水热法合成和发光性质研究

利用水热法合成了粉末发光材NaYF4∶Tb3+,Yb3+。分别用X射线衍射(XRD),光致发光谱(PL)和激发谱(PLE)测试了合成材料的物相结构和发光性质。研究结果表明:合成的NaYF4∶Tb3+,Yb3+材料为六方相的晶体,无立方相的。改变Tb3+和Yb3+的掺杂浓度后晶格结构没有变化,说明离子Tb3+和Yb3+取代的是Y3+离子的晶格位置。在355nm脉冲激光激发下,检测到了Tb3+的5 D3→7 FJ(J=5-0)和5 D4→7 FJ(J=6,5,4,3)可见波段特征发射光和Yb3+950～1 050nm(2 F5/2→2 F7/2)的近红外发光,研究了可见和近红外的发射强度随Yb3+掺杂浓度的变化,表明Tb3+和Yb3+之间存在能量传递,其可能的能量传递方式是共合作能量传递过程。当Tb3+和Yb3+的掺杂摩尔浓度分别是1mol%和6mol%时具有最强的近红外发射。     

Er3+/Yb3+共掺硅酸盐玻璃样品的多波段光谱特性

制作了系列Er3+/Yb3+共掺硅酸盐玻璃,结合Er3+-Yb3+之间的能量传递模型,对Er3+/Yb3+掺杂样品不同波段的发射光谱进行了测量和分析.结果表明,Er3+/Yb3+掺杂浓度对红外荧光强度、半峰全宽及上转换可见光都有显著的影响;Yb3+离子的引入导致Er3+/Yb3+离子单元的等效受激吸收几率增大,使Er3+离子的激活度增加,引起Er3+离子的红外荧光和上转换发光的同步增强.     

Yb3+掺杂浓度对Er3+/Yb3+共掺SiO2-Al2O3-La2O3玻璃光谱性质的影响

测量了不同Yb3+ 离子掺杂浓度下 ,Er3+ /Yb3+ 共掺SiO2 Al2 O3 La2O3玻璃的吸收光谱、荧光光谱和Yb3+离子2 F5/ 2 的能级寿命 ,应用迈克康伯 (McCumber)理论计算了Er3+ 的受激发射截面σemi,讨论了Yb3+ 离子浓度对其自身吸收性质、Er3+ 离子发光性质 ,以及Yb3+ →Er3+ 能量传递效率 (η)的影响 ,初步探明该基质玻璃中Yb3+ 离子掺杂数浓度的最佳范围为 3 .94× 1 0 2 0 cm- 3至 5 .92× 1 0 2 0 cm- 3,在此掺杂范围内 ,Yb3+ 离子的最大吸收系数为9.8cm- 1 ,Er3+ 的峰值发射截面和Yb3+ →Er3+ 能量传递效率 (η)分别为 0 64× 1 0 - 2 4 m2 和 92 %。     

Er3+,Yb3+共掺杂NaGd（MoO4）2荧光粉的发光特性

采用高温固相法制备了Er3+,Yb3+共掺杂的NaGd(MoO4)2荧光粉,通过X射线衍射对样品的物相结构进行了分析,采用荧光光谱手段对样品的下转换发光特性和上转换发光特性进行了研究。通过对激发、发射光谱的分析,发现基质到Er3+存在有效的能量传递。通过对样品上转换发光光谱的分析,发现在不同Yb3+掺杂浓度样品中,红光和绿光上转换发光均为双光子过程,并对样品上转换发光强度与LD泵浦电流和掺杂离子浓度的关系进行了讨论。     

Y3+掺杂对CaGdAlO4:Pr3+,Yb3+荧光粉的微结构及其量子剪裁发光的影响

采用自蔓延燃烧法结合后期热处理手段制备得到了Y3+/Pr3+共掺杂的CaGdAlO4荧光粉材料.实验结果表明:当用与Gd3+离子半径较近的Y3+来取代Gd3+时,Pr3+的光致发光强度增强,使来自Pr3+的4f-5d跃迁的吸收峰峰值位置发生了从261nm至259nm的蓝移.在确定Y3+的最优浓度为50%,Pr3+的最优浓度为0.5%时,进一步制备了Y3+/Pr3+/Yb3+共掺杂的CaGdAlO4荧光粉材料,并实现了从深紫外到近红外的量子剪裁.在Yb3+的浓度达到6%时,Yb3+位于980nm的发射峰最强.经计算Y3+/Pr3+/Yb3+共掺杂的CaGdAlO4材料的量子剪裁效率约为168%,优于Pr3+/Yb3+共掺杂的CaGdAlO4荧光粉.此外,在254nm紫外光照射下,Y3+取代Gd3+的策略在一定程度上抑制了CaGdAlO4荧光粉材料的晶格热化现象.综上,用价格更低的Y部分取代Gd,可使CaGdAlO4:Pr3+/Yb3+荧光粉制备成本降低,并进一步优化其量子剪裁性能.该研究对硅空间太阳能电池的应用开发具有实际意义.     

ZnS:Mn2+,Sm3+粉末材料中Mn2+和Sm3+之间的能量传递

研究了ZnS粉末材料中Mn2+中心和Sm3+中心之间的相互作用.通过测量单独由Mn2+或Sm3+掺杂及Mn2+,Sm3+同时掺杂的ZnS粉末材料的发射光谱、激发光谱、发光衰减以及选择激发发光光谱,证实了Mn2+和Sm3+之间存在偶极子-偶极子相互作用的无辐射能量传递.同时还计算了能量传递几率和传递效率.     

Er~(3+)浓度对Er~(3+)/Yb~(3+)共掺氟氧化物玻璃陶瓷上下转换发光的调控(英文)

在980nm激光激发下,Er3+/Yb3+共掺的发光材料既可以在可见光范围产生上转换发光,也可以在近红外波段产生下转换发光,二者存在竞争关系。本文利用熔融淬火法制备了一系列掺杂不同Er3+/Yb3+浓度的氟氧化物玻璃陶瓷,测量了样品在980 nm激光激发下的上转换及下转换发射光谱。研究发现,改变Er3+的掺杂浓度可以调控上下转换的发光强度。在此基础上,提出了上下转换发光的能量传递模型。本文的研究结果有利于该类材料在不同领域中的应用。     

Tb3+、Yb3+共掺BaGd2ZnO5荧光粉的制备及其近红外量子剪裁研究

采用高温固相法合成了Tb3+、Yb3+共掺杂的BaGd2ZnO5荧光粉。XRD测量数据表明合成的样品为纯相。在Tb3+特征激发(297 nm)下得到了Yb3+的特征发射(977 nm),并且对Tb3+与Yb3+能级图进行分析,证明Tb3+到Yb3+为合作能量传递。测量了不同Yb3+浓度下Tb3+的5D4能级(544 nm)的发光寿命曲线,计算得到Tb3+与Yb3+的能量传递效率和量子效率,最高量子效率为125.5%。Yb3+的发射与硅太阳能电池的吸收匹配,该材料有可能应用于硅太阳能电池以提高其转换效率。     

Quantum cutting in CaYAlO4: Pr3+, Yb3+

The deposition of a thin layer of a quantum-cutter material on top of silicon-based solar cells seems to be a promising solution to reduce the thermalization losses. This mechanism has been reported in materials codoped with Pr3+-Yb3+, where Pr3+ can sensitize two Yb3+ ions for one absorbed blue photon. In the present Letter, we analyze precisely energy transfers between Pr3+ and Yb3+ in CaYAlO4, and we measure a quantum-cutting rate of 145%. We show that a very efficient back transfer from Yb3+ toward the (1)G4 level of Pr3+ ion leads to a strong reduction of the quantum yield.     

Downconversion for Solar Cells in YF3:Pr3+, Yb3+

ABSTRACT

Energy losses in solar cells caused by the spectral mismatch can be reduced by adapting the solar spectrum using a downconversion material where one higher energy visible photon is ‘cut' into two lower energy near-infrared photons that both can be absorbed by the solar cell. Downconversion with the (Pr³⁺, Yb³⁺) couple in YF₃ is investigated. Based on analysis of luminescence and diffuse reflectance spectra it is evident that two-step energy transfer takes place from the ³P₀ level of Pr³⁺ (around 490 nm) exciting two Yb³⁺ to the ²F_5/2 level giving emission around 980 nm. The transfer efficiency increases with Yb³⁺ concentration and is 86% for YF₃ doped with 0.5% Pr³⁺ and 30% Yb³⁺. Due to concentration quenching the intensity of emission from Yb³⁺ is strongly reduced and the ²F_5/2 emission intensity reaches a maximum for the sample with 0.5% Pr³⁺ and 2–5% Yb³⁺ at 300 K. Temperature dependent measurements reveal the role of the Pr^{3+ 1}G₄ level in the energy transfer between Pr³⁺ and Yb³⁺. Back-transfer of excitation energy from the Yb^{3+ 2}F_5/2 level to the ¹G₄ level of Pr³⁺ occurs and quenches the Yb³⁺ emission. The quenching is shown to become more efficient between 4 and 50 K due to faster phonon-assisted energy transfer between the Yb³⁺ donors. Upon raising the temperature from 50 to 300 K, the luminescence life time of the Yb³⁺ emission increases again because the small energy difference between the Pr³⁺ (¹G₄) level and the Yb³⁺ (²F_5/2) level (～300 cm^?1) which makes the ¹G₄ less efficient as a trap for the excitation energy. The present results give insight into factors involved in the concentration quenching in downconversion materials based on the (Pr³⁺, Yb³⁺) couple.     

Pr3+,Yb3+共掺YPO4下转换材料的制备及其转光效率

采用固相反应法制备了Pr³⁺,Yb³⁺共掺杂的YPO₄下转换发光粉体,并在450 nm光激发条件下,研究了Yb³⁺不同摩尔分数(0%,1%,2%,4%,20%,30%)对转光效率的影响。结果表明:不同Yb³⁺浓度的样品,其荧光峰强度不同,这可能是由于Pr³⁺-Yb³⁺之间Yb³⁺浓度不同存在能量传递效率差异的原因。研究也发现了样品的下转换发光,其能量传递过程为:Pr³⁺:³P₀→Yb³⁺:²F_5/2+²F_5/2。荧光光谱测试结果表明,Yb³⁺的最佳掺杂摩尔分数为2%。Pr³⁺,Yb³⁺共掺杂的YPO₄材料在提高太阳能电池光电转换效率方面具有潜在的应用。     

Radiationless energy transfer between Yb3+, Nd3+, and Pr3+ in a silicate glass

The glass contains two or three rare-earth elements. The concentration dependence of the intensity and lifetime of the luminescence is used to discuss Yb-Nd, Yb-Pr, and Nd-Pr interactions and energy-transfer modes. The quenching action oi Pr is found to exceed the sensitizing action for Yb.We are indebted to P. P. Feofilov for direction in this work and to V. P. Kolobkov for valuable discussions on the results.     

Yb3+：Pr3+：ZBLAN光纤中4f5d上转换激发的理论研究

利用粒子数速率方程和相关的辐射跃迁理论,计算了Yb³⁺:Pr³⁺:ZBLAN光纤中Pr³⁺离子4f5d能级两步上转换激发的动力学过程.得到不同Pr³⁺掺杂浓度下,激发光的光谱强度和粒子数密度的纵向分布和有效光纤长度随激发光的光谱强度的变化关系.另外,还得到了4f5d荧光强度与入射光强、光纤长度和Pr³⁺掺杂浓度的关系,给出了激发效率与激发光的光谱强度和Pr³⁺掺杂浓度的关系.     

Yb3+敏化的Er3+/Ho3+共掺碲酸盐玻璃的上转换发光研究

用高温熔融法制备了系列Er3+/Yb3+共掺,Ho3+/Yb3+共掺,和Er3+/Yb3+/Ho3+三掺碲酸盐玻璃,在975 nm激光抽运下三种掺杂玻璃中都出现了较强的绿光和红光上转换.研究了Yb3+离子对Er3+和Ho3+离子上转换发光强度的影响以及Yb3+→Er3+,Yb3+→Ho3+能量传递效率.分析了碲酸盐玻璃中Yb3+直接敏化Er3+,Ho3+上转换发光机理.当Er3+和Ho3+浓度较低时,Er3+/Yb3+/Ho3+三掺玻璃的上转换强度随着Yb3+离子浓度的增加而增强,出现的548 nm绿光和660 nm红光主要是由于Er3+:4S3/2→4I15/2,Ho3+:5F4(5S2)→5I8和Er3+:4F9/2→4I15/2,Ho3+:5F5→5I8跃迁共同作用的结果.Er3+/Yb3+/Ho3+三掺碲酸盐玻璃的上转换机理受Er3+/Yb3+之间,Ho3+/Yb3+之间,Er3+/Ho3+之间三者共同相互作用影响,Er3+/Ho3+离子间存在的交叉弛豫过程可增加Ho3+离子在可见光范围的上转换强度.     

Temperature-dependent segregation of Pr3+ impurity ions in Y2SiO5:Pr3+ and YPO4:Pr3+ nanocrystals

Stationary and time-resolved spectroscopic methods are used to show that the impurity ions in Y₂SiO₅:Pr³⁺ and YPO₄:Pr³⁺ nanocrystals are distributed nonuniformly. This nonuniform distribution is found to be caused by the temperature-dependent segregation of Pr³⁺ ions near the surface of a nanocrystal. The motion of the activator ions from the bulk of a nanocrystal to the near-surface layer is traced when the activator concentration and the heat-treatment parameters are varied over wide ranges, and the main parameters of this effect (impurity redistribution intensity and time, diffusion coefficient) are estimated.