发光材料的物理和化学

本文给出了发光材料(主要是氧化物)中的能量传递过程。应用理论解释了近来文献中所描述的一些例子,它们是:矾酸根和钨酸根,浓集体系中的Mn~(2+)离子、U~(6+)离子,高浓度稀土离子体系(主要是REAl_3B_4O_(12))。考虑了快扩散和受扩散限制的能量迁移。最后描述并讨论了Bi~(3+)离子的晶体环境对其发光的重要影响。     

CaF2:Yb3+/Mn2+体系中Mn2+的上转换发光

稀土离子的上转换发光通常具有发射带宽窄及峰位难以调节等问题。为了获得近红外光激发下的宽带上转换发光,我们对Yb~(3+)-Mn~(2+)共掺杂CaF_2材料的上转换发光性质进行了研究。将稀土离子Yb~(3+)及过渡族金属离子Mn~(2+)掺入到CaF_2材料中作为发光中心,利用高温固相反应法制备了Yb~(3+)单独掺杂及不同浓度Yb~(3+)及Mn~(2+)离子共掺杂的CaF_2体相材料。在980 nm近红外光激发下对不同样品的上转换发光进行了比较研究。实验结果表明,与单独掺杂Yb~(3+)离子的材料相比,CaF_2∶Yb~(3+)/Mn~(2+)材料在980 nm激光激发下出现了一个位于620nm附近的宽带发光,我们认为这个发光来自于Yb~(3+)团簇向Mn~(2+)离子的合作敏化,对应于Mn~(2+)离子的~4T_1→~6A_1跃迁。因此,CaF_2体系中存在Yb~(3+)离子二聚体向Mn~(2+)离子的合作能量传递过程。     

酸根离子及其水溶液对镎酰离子结构性质的影响

利用B3LYP杂化密度泛函方法,在相对论有效芯势模型下,优化得到了NpO_2~(2+)离子及其配合物在气相和水溶液中的几何结构和电子结构,研究了NO-3、SO2-4和CO2-3离子及其水溶液对NpO_2~(2+)离子的结构和性质的影响.结果表明,NpO_2~(2+)离子结合各种酸根离子后其Np=O键的键长都有明显增长、Np和O原子的价电子轨道能均有升高,而考虑溶剂化效应后酸根离子的影响将减小.电荷分析发现,结合酸根离子后,NpO_2~(2+)中Np和O原子间形成的共价键的强度减弱、键长增长.对NpO_2~(2+)离子与三种酸根离子的理论结合能的比较显示,Np O2CO3分子最为稳定.     

群论在发光光谱学中的应用

在本文的第一部分里,概述了晶体发光学中常用对称群的特征标表,给定了能级的劈裂以及电偶极和磁偶极跃迁的选择定则。立方体群O_h和四面体群T_d至今仍很重要。近年来,人们发现一些低对称性的群越来越显得重要了,特别是对于稀土离子激活的材料。在第二部分里给出了一些例子:主要是ZnS中的Cu~(2+),还有ZnS中的Ni~+,最近已发现它是和Cu~(2+)等电子的;掺入ZnS,ZnSe和很多其它发光材料中的Mn~(2+)以及稀土离子Ce~(3+)、Yb~(3+)和Eu~(3+)的发光。     

群论在发光光谱学中的应用

在本文的第一部分里,概述了晶体发光学中常用对称群的特征标表,给定了能级的劈裂以及电偶极和磁偶极跃迁的选择定则。立方体群O_h和四面体群T_d至今仍很重要。近年来,人们发现一些低对称性的群越来越显得重要了,特别是对于稀土离子激活的材料。在第二部分里给出了一些例子:主要是ZnS中的Cu~(2+),还有ZnS中的Ni~+,最近已发现它是和Cu~(2+)等电子的;掺入ZnS,ZnSe和很多其它发光材料中的Mn~(2+)以及稀土离子Ce~(3+)、Yb~(3+)和Eu~(3+)的发光。     

Er~(3+)和Eu~(3+)共注入GaN的光学特性和能量传递机制

采用离子注入法在GaN薄膜中实现了Er~(3+)和Eu~(3+)离子的共掺杂.以阴极荧光光谱仪为主要表征手段,研究样品的光学特性和能量传递机理.在300K温度下,Er~(3+)和Eu~(3+)共掺杂GaN薄膜能够实现绿光和红光的同时发射.随着Er~(3+)离子掺杂剂量的增加,Eu~(3+)离子相关发光峰的强度减弱,Er~(3+)离子对应的两个相关发光峰强度比值减小,表明Er~(3+)和Eu~(3+)离子之间发生了能量传递,能量传递的方向为Eu~(3+)→Er~(3+).变温阴极荧光光谱显示,Er~(3+)离子的2H11/2和4S3/2两个能态相关的跃迁峰相对强度比值随着温度升高而降低,主要是由两个能级之间的热耦合导致.改变Er~(3+)离子的掺杂剂量,能够调控GaN:Er~(3+)/Eu~(3+)样品的光学色度坐标和色温,表明此材料可用于发光器件.     

Dy~(3+),Sm~(3+)共掺杂Ca_2A1[AlSiO_7]荧光粉的发光性质研究

采用高温固相反应法合成了一系列Dy~(3+)、Sm~(3+)单掺杂和共掺杂铝方柱石发光材料,详细地研究了Dy~(3+)、Sm~(3+)掺杂对铝方柱石的结构和发光性质的影响。XRD结果表明Dy~(3+)、Sm~(3+)离子单掺杂和共掺杂样品均形成了单相的铝方柱石结构化合物,并没有改变基质的晶体结构。发光光谱表明,通过调节Dy~(3+)、Sm~(3+)离子的掺杂比例,发光颜色可实现从黄色到黄白色的可控调节。此外,发射和激发光谱表明,Dy~(3+)与Sm~(3+)离子之间存在有效的光谱重叠,暗示着Dy~(3+)→Sm~(3+)的能量传递。荧光寿命衰减结果进一步证实Dy~(3+)与Sm~(3+)离子之间是一种无辐射共振能量传递方式。     

氟化物、氟磷酸盐和磷酸盐玻璃中Er~(3+)离子的发光研究

测定了氟化物、氟磷酸盐和磷酸盐玻璃中Er~(3+)离子的吸收、荧光和激发光谱,解释了基质玻璃对Er~(3+)离子发光的影响。进一步研究了在这三种基质玻璃中Er~(3+)离子发光的浓度效应和温度效应,讨论了Er~(3+)离子内和离子间的能量转移过程。     

基质中非4f组态的电子态对Pr~(3+)离子发光的影响（英文）

三价镨离子(Pr~(3+))是一种备受关注的稀土发光离子。学者们在过去几十年里对其发光性质进行了大量的理论和实验研究。在不同的基质材料中,由于非4f组态的电子态与Pr~(3+)离子发光能级相互作用,Pr~(3+)离子可以展现从紫外到红外波段的不同特征的光发射。影响Pr~(3+)离子发光的这些电子态可能源于4f5d激发组态、电荷迁移态或类激子态。本文中,我们以几种具有代表性的发光材料为例,简短地总结和评述了Pr~(3+)离子发光的不同谱形;也尝试解释了几个新颖的实验现象,例如:杂质束缚激子态和电荷迁移态对发光的猝灭影响。我们希望这些相关概念和谱学结果的整理有助于读者更好地理解一些实验上的发光现象,并为设计发光材料提供新的思路。     

Ce~(3+),Pb~(2+)和Sn~(2+)离子在β′-Al_2O_3型六角铝酸盐1.30BaO·6Al_2O_3中的发光性质

本文研究稀土离子Ce~(3+)和S~2型离子(Pb~(2+)和Sn~(2+))在β′-Al_2O_3型富钡相六角铝酸盐1.30BaO·6Al_2O_3中的发光性质。发射光谱和激发光谱表明,在富钡相中激活离子占据两个不等当的晶体学格位。Ce~(3+)激活的样品,发射光谱由四个带组成,其相对强度不依赖于激活离子的浓度,不同Ce~(3+)发光中心间没有能量传递。对于Pb~(2+)和Sn~(2+),在紫外激发下,荧光光谱包含三个带,Pb~(2+)的带峰值为390nm,425nm和485nm;Sn~(2+)为388nm,418nm和457nm。425nm和418nm发射分别归于占据晶体学BR格位的Pb~(2+)和Sn~(2+);390nm和388nm发射归于反BR格位上的Pb~(2+)和Sn~(2+);而485nm和457nm的带分别是Pb~(2+)和Sn~(2+)的离子对的发射。离子对是由占据(Ba)_nO镜面层上的BR和反BR格位的Pb~(2+)(或Sn~(2+))所形成。Pb~(2+)和Sn~(2+)离子的发光按照S~x型离子能级作了讨论。     

Dy~(3+),Sm~(3+)和Ce~(3+)离子在M_3La_2(BO_3)_4(M=Ca,Sr,Ba)中光谱性质的研究

本文报导了Dy~(3+),Sm~(3+)和Ce~(3+)离子在M_3La_2(BO_3)_4(M=Ca,Sr,Ba)基质中的激发与发射光谱;研究了Dy~(3+)离子黄蓝发射的相强度随基质化合物的组成和结构的不同而呈现的变化规律;讨论了Sm~(3+)离子电荷迁移激发带的能量与基质中近邻阳离子的关系并分析了Sm~(3+)和Eu~(3+)离子4f电子构型对电荷迁移带能量的影响。本文还给出了Dy~(3+),Sm~(3+)和Ce~(3+)离子发光的浓度淬灭值。     

基于 Eu~(3 +)还原制备 Eu~(3 +)-Eu~(2 +)共存发光材料的研究进展

稀土Eu元素因其优良的光学特性常被作为激活离子广泛应用于无机发光材料中。激活离子的发光性质由自身的价态决定,同时受基质晶体结构影响。不同价态的Eu离子呈现不同的光学特性,当二者共存时有可能得到单一基质的白光。本文主要综述近几年Eu~(3+)-Eu~(2+)共存于铝酸盐、磷酸盐、硅酸盐及硼酸盐基质中的荧光性能、Eu~(3+)的还原条件及还原机理。     

稀土离子共掺杂的钼酸钙发光材料的合成与光谱性质

采用了化学共沉淀法合成了一系列的镨、铽共掺杂的钼酸钙发光材料,研究了单掺Pr~(3+)和Tb~(3+)以及CaMoO4∶0.03Pr~(3+),yTb~(3+)共掺杂的浓度、温度对材料发光性能的影响。采用X射线衍射仪(XRD)和荧光光谱对样品进行了晶格结构、荧光性质表征。XRD分析表明:样品的主衍射峰与标准卡片(JCPDS 29-0351的衍射峰数据一致,说明少量Pr~(3+)掺杂没有改变基质晶格结构。荧光光谱分析表明,样品在275nm紫外光激发下,发射光谱主要包括多个发射峰,波长为488,560,621和652nm,分别对应于镨离子的~3P_0-~3H_4,~3P_0-~3H_5,~1D_2-~3H_4和~3P_0-~3F_2的跃迁,在掺杂量为3%时,样品特征发射峰最强,CaMoO4∶0.03Pr~(3+)和CaMoO4∶0.05Tb~(3+)的最佳煅烧温度分别为800和600℃。随着Pr~(3+)和Tb~(3+)掺入量的增加,CaMoO4∶Pr~(3+)发光材料的特征发射光谱和激发光谱的特征峰强度逐渐减小,而CaMoO4∶Tb~(3+)材料发光先减小后增大,存在着浓度猝灭效应。此外,在CaMoO4∶0.03Pr~(3+),yTb~(3+)发光体系中,Tb~(3+)的共掺杂可显著增强镨离子的特征发射峰,这是由于存在Tb~(3+)→Pr~(3+)的有效的能量传递。     

GdF_3∶Ce~(3+),Dy~(3+)@GdF_3∶Eu~(3+)核壳结构荧光粉溶剂热法制备及其多色发光性能研究

采用溶剂热法合成了核壳结构纳米荧光粉GdF_3∶Ce~(3+),Dy~(3+)@GdF_3∶Eu~(3+)。XRD衍射图样显示所制备纳米晶为正交相;在Ce~(3+)的8S7/2→6IJ激发峰激发下,该核壳结构具有明显的多色发光性能,而在相应的非核壳结构中却由于Ce~(3+)共掺导致Eu~(3+)出现荧光猝灭现象。基于CIE坐标,可以看出该体系的核壳结构具有比非核壳结构优越的发光性能,这主要是因为Gd~(3+)起到媒介离子的作用。最后,讨论了壳厚度对发光的影响,结果发现当核壳的量比为1∶3时,荧光粉具有最大的发光强度。     

掺Tm~(3+)和Tb~(3+)的LiMgPO_4磷光体的发光光谱与能量转移

稀土掺杂的LiMgPO_4(LMP)磷光体是一种很有前景的辐射剂量计材料,热释光谱技术是研究材料中载流子陷阱和发光中心的有效手段.为研究稀土掺杂LMP的发光机制,用高温固相法研制了LMP:Tm, LMP:Tb和LMP:Tm, Tb磷光体,用线性升温法测量了磷光体的热释光发光曲线和热释光谱,并将之与荧光谱进行了对比分析.实验结果表明:在LiMgPO_4磷光体中, Tm~(3+), Tb~(3+)共掺可使磷光体在300℃左右的热释光显著增强; LMP磷光体的热释光谱中可观测到比一般荧光谱更丰富的Tm~(3+)离子和Tb~(3+)离子的跃迁; Tm~(3+)和Tb~(3+)虽然都可成为发光中心,但Tm~(3+)起主要作用;结合对热释光谱和荧光谱的深入分析,可知磷光体中存在Tb~(3+)→Tm~(3+)的能量转移.     

氧化硅薄膜中掺杂Tb~(3+)离子的发光敏化

采用溶胶-凝胶法在硅片上制备了掺杂稀土离子Tb~(3+)的SiO_2薄膜,并用荧光分析方法研究了薄膜的发光特性,对发光效果的提升途径做了探索和分析。在245 nm波长的激发下,能够观察到Tb~(3+)的5D4-7FJ(J=6,5,4,3)的跃迁发射峰。对于Tb~(3+)离子的高浓度掺杂体系,在掺入富Si或Al~(3+)离子后,浓度猝灭效应能得到明显改善。同时掺入两种激活剂的样品发光强度较只掺Al~(3+)的样品大了近一倍。此外,氩气氛退火引入氧空位缺陷也能使样品的发光强度有较大提升,氩气氛退火的最佳温度为1 200℃。     

Y~(3+)掺杂对Sr_(1-x)Ca_xSi_2O_2N_2∶Eu~(2+)发光性能的影响

采用高温固相反应法制备了Sr_(1-x)Ca_xSi_2O_2N_2∶Eu~(2+)系列荧光粉,研究Y~(3+)离子掺入对荧光粉发光性能的影响。对于Sr Si_2O_2N_2∶Eu~(2+),Y~(3+)离子掺入主要起到稳定Eu~(2+)价态的作用,避免Eu~(2+)氧化为Eu~(3+),从而提高Sr Si_2O_2N_2∶Eu~(2+)的发光性能。对于Ca Sr Si_2O_2N_2∶Eu~(2+),Y~(3+)离子掺入除了稳定Eu~(2+)价态作用外,还能有效减小Eu~(2+)取代Ca~(2+)后晶格膨胀引起的应力,提高Eu~(2+)在晶格中的溶解度。Sr_(1-x)Ca_xSi_2O_2N_2∶Eu~(2+)(x=0,0.15,0.3,0.6,0.75,0.95)系列荧光粉中随着Ca含量的增加,共掺Y~(3+)离子对样品发光强度的提高程度也随之增加(20%~80%)。     

强上转换发光的LiLu_(1-x)Yb_xF_4∶Tm@LiGdF_4核壳纳米晶的制备

利用高温热分解法制备了LiLuF_4∶Yb,Tm@LiGdF_4核壳纳米晶。在980nm激光激发下,与未包覆的样品相比,LiLuF_4∶Yb,Tm@LiGdF_4核壳纳米晶的发光增强了15倍左右,这主要是因为通过惰性壳层的包覆可以有效抑制表面猝灭效应。另外,随着核中Yb~(3+)离子的摩尔分数从20%增加到100%,上转换发光强度逐渐增大,最大增加了12.4倍左右。这主要是由于增加Yb~(3+)离子的浓度可以增加纳米粒子对激发光的吸收和提高Yb~(3+)到Tm~(3+)的能量传递速率。所制备的LiYbF_4∶2%Tm@LiGdF_4核壳纳米晶的发光效率高达4%。     

非稀土掺杂协同核壳包裹对氟化物纳米晶上转换发光性能的增强

为提高上转换纳米晶的发光效率,提出协同增强的策略,将核壳包裹和非稀土离子掺杂两种方式进行有效的结合,使上转换纳米晶的发光效率实现"1+12"的增强效果。以Na Gd F_4作为基质材料,Yb~(3+)和Er~(3+)分别作为敏化离子和发光离子,以Li~+离子和Na Gd F_4作为非稀土掺杂离子和包裹壳层来构建核/壳纳米结构,研究两种增强方式的协同作用对Na Gd F4∶Yb~(3+)/Er~(3+)纳米晶的上转换发光性能的影响。结果表明,Li+离子掺杂与包裹Na Gd F4壳层共同作用使得β-Na Gd F4∶Yb~(3+)/Er~(3+)纳米晶的上转换发光增强了39倍,明显优于单一方式的增强效果。通过一系列的优化实验结果发现,Li+离子的最佳掺杂摩尔分数为4%。基于以上实验结果,给出了非稀土离子掺杂核壳纳米晶协同增强上转换发光效率的机理。     

稀土掺杂磷酸钇荧光粉的控制合成和发光性能

利用水热法分别合成了Ce~(3+)、Tb~(3+)共掺杂的YPO_4下转换荧光粉和Er~(3+)、Yb~(3+)、Tm~(3+)共掺杂的YPO_4上转换荧光粉,经过工艺优化获得了1μm左右尺寸均匀的发光材料。通过系列实验研究了反应温度、反应时间、稀土离子掺杂比例和退火温度对样品发光性能的影响。YPO_4∶Ce~(3+),Tb~(3+)荧光粉在295 nm紫外光的激发下产生下转换发光效应,当Tb~(3+)摩尔分数为1%时得到明亮的绿光;YPO_4∶Er~(3+),Tm~(3+),Yb~(3+)荧光粉在980nm近红外光激发下产生上转换发光效应,当稀土离子中Er~(3+)摩尔分数为3%时,所制备的样品经过1 000℃退火处理后发出很强的暖白光。