Near-infrared quantum cutting in transparent nanostructured glass ceramics

Quantum cutting downconversion involving the emission of two near-infrared photons for each blue photon absorbed is realized in transparent glass ceramics with embedded Pr3+/Yb3+: beta-YF3 nanocrystals. On excitation of Pr3+ ions with a visible photon at 482 nm, Yb3+ ions emit two near-infrared photons at 976 nm through an efficient cooperative energy transfer from Pr3+ to Yb3+, with optimal quantum efficiency close to 200%. The development of the near-infrared quantum cutting transparent glass ceramic could open a route to enhance the energy efficiency of the silicon solar cell by converting one blue solar photon to two near-infrared ones.     

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.     

重金属碲酸盐玻璃中Ho~(3+)的红外辐射特性

制备了高折射率Ho3+单掺和Ho3+/Yb3+共掺低声子能量重金属碲酸盐玻璃.根据Judd-Ofelt理论对吸收光谱进行拟合,求得Ho3+强度参数Ωt(t=2,4,6)分别为4.373×10-20,1.906×10-20和1.451×10-20cm2,并进一步计算了Ho3+在红外区各能级跃迁的振子强度、自发辐射跃迁概率、辐射寿命和荧光分支比等光谱参数.982 nm激发下,铋碲酸盐玻璃中Yb3+直接敏化Ho3+,在红外区产生有效红外发射.Ho3+吸收与发射截面在1.95和2.05μm处分别高达5.63×10-21和6.24×10-21cm2,大于Ho3+掺杂磷酸盐和氟化物玻璃,这有利于降低激光抽运阈值,实现高效Ho3+激光输出.较低的声子能量和较大的发射截面表明,Ho3+/Yb3+共掺杂铋碲酸盐玻璃有望成为良好的红外激光工作物质.     

KLa(MoO_4)_2∶Yb~(3+),Ho~(3+),Tm~(3+)白光荧光粉的制备及性能研究

采用水热法成功制备了Yb~(3+),Ho~(3+),Tm~(3+)三掺的多晶KLa(Mo O4)2荧光粉。在980 nm激光激发下,KLa(MoO_4)_2∶Yb~(3+),Ho~(3+),Tm~(3+)发出裸眼可见的明亮白光,这其中包括Tm~(3+)离子发出的蓝光(~475 nm)、Ho~(3+)离子发出的绿光(~540 nm)和红光(~651 nm)。根据色度坐标系计算得出的坐标点可以看出,随着Ho~(3+)/Tm~(3+)掺杂浓度之比的增加,KLa(Mo O_4)_2∶Yb~(3+),Ho~(3+),Tm~(3+)所发出的白光呈现从冷白光到暖白光的变化。最后详细讨论了KLa(Mo O_4)_2∶Yb~(3+),Ho~(3+),Tm~(3+)荧光粉可能的发光机制。     

氟氧化物纳米相玻璃陶瓷Tb(0.7)Yb(5)∶FOV的合作下转换发光

报道了氟氧化物纳米相玻璃陶瓷Tb(0.7)Yb(5)∶FOV的红外量子剪裁研究,测量了从可见到红外的荧光发光光谱、激发谱、和荧光寿命,分析了{1([5 D4→7 F6](Tb3+),2([2 F7/2→2 F5/2] (Yb3+)}的红外量子剪裁现象,发现了487.0nm光激发5 D4能级和378.0nm光激发(5 D...     

氟化物中Yb3+对Ho3+, Tm3+的直接敏化上转换作用

采用双掺杂(Yb^3 ／Ho^3 )和多掺杂(Ho^3 ／Yb^3 ／Tm^3 )方式,研究了氟化物中Yb^3 对Ho^3 ,Tm^3 的直接敏化上转换作用,并对它们在980nm激光激发下的上转换光谱特性进行了比较,对它们的上转换机理作了详细的讨论分析。观测到两处很强的上转换发光,分别是Yb^3 ／Ho^3 共掺杂体系中^5F4^5S2(Ho^3 )→^5Is(Ho^3 )的荧光跃迁和Ho^3 ／Yb^3 ／Tm^3 共掺杂体系中^3H4(Tm^3 )→H6(Tm^3 )的荧光跃迁。还发现由于添加了Tm^3 ,减弱了Yb^3 ／Ho^3 共掺杂体系中Ho^3 在可见光范围的上转换发光强度。     

铌酸钇里Bi~(3+)敏化Tm~(3+)的近红外量子剪裁发光的浓度效应

寻找新能源为全球目前面临着的重要课题,其中最理想的新能源为太阳能。近红外量子剪裁发光方法可以把硅或锗太阳能电池响应不够灵敏的大能量光子成倍的转换成为太阳能电池响应灵敏的小能量光子,能够解决光谱失配的问题,较大幅度的提高太阳能电池的效率。很有意义。报道了掺Tm~(3+)Bi~(3+)的铌酸钇磷光粉样品材料的近红外量子剪裁发光的浓度效应。通过测量激发谱与发光谱,发现Tm_(0.058)Bi_(0.010)Y_(0.932)NbO_4有很强的1 820.0 nm近红外量子剪裁发光;进一步的分析发现,它们是由交叉能量传递过程导致的多光子量子剪裁发光;还发现了有着很强的Bi~(3+)对Tm~(3+)的敏化近红外量子剪裁发光,302.0 nm光激发导致的Tm_(0.058)Bi_(0.010)Y_(0.932)NbO_4相对Tm_(0.058)Y_(0.995)NbO_4的1820.0 nm近红外量子剪裁发光的增强达到175.5倍。该结果对探索多光子近红外量子剪裁锗太阳能电池比较有意义。     

NaYF_4微晶中Tm~(3+)-Er~(3+)耦合对间的能量传递

在NaYF4微晶中借助于Tm3+-Er3+耦合对间能量传递过程,能够将一个高能291 nm紫外光光子剪裁成近红外796 nm和蓝色476 nm两个光子。在291 nm(34 364 cm-1)紫外光激发下,Tm3+的1I6能级首先被布居,再经过一个交叉弛豫过程使得Er3+的4I9/2和Tm3+的1G4能级同时被布居,从而实现了Tm3+的1G4→3H6[476 nm(21 008 cm-1)]和Er3+的4I9/2→4I15/2[796 nm(12 563 cm-1)]辐射跃迁。估算了这种下转换过程的能量传递效率ηET和量子效率ηQE。通过这种量子剪裁可以解决光谱失配问题,提高GaAs太阳能电池中的转换效率。     

Yb3+/Ho3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃的上转换白光发射及其机理研究

采用高温熔融法分别制备了Yb3+/Ho3+,Yb3+/Tm3+和Yb3+/Ho3+/Tm3+共掺的碲酸盐玻璃。在980nm红外激光激发下,Yb3+/Ho3+/Tm3+共掺的玻璃样品显示了强的蓝光、绿光和红光发射,分别对应于Tm3+的1 G4→3 H6跃迁、Ho3+的5 F4(5 S2)→5I 8跃迁以及Ho3+的5 F5→5I 8和Tm3+的1 G4→3 F4跃迁。通过对比发现,Yb3+/Ho3+/Tm3+共掺样品中的红、绿光积分发射强度比值(3.95)明显大于Yb3+/Ho3+共掺样品(1.69),这是由于Ho3+和Tm3+间存在交叉弛豫过程3 H4(Tm3+)+5I 6(Ho3+)→3 F4(Tm3+)+5 F5(Ho3+)和3 F4(Tm3+)+5I 8(Ho3+)→3 H6(Tm3+)+5I 7(Ho3+)所致。在激发功率密度为8.2 W.cm-2时,Yb3+/Ho3+/Tm3+共掺样品的上转换发光色坐标值为x=0.345,y=0.338,非常接近于等能白光(x=0.333,y=0.333)。     

Ce~(3+)-Yb~(3+)共掺YAG荧光粉量子剪裁发光的浓度及温度特性

采用高温固相法制备了不同掺杂浓度的YAG∶1%Ce~(3+),x%Yb~(3+)(x=5,10,15,20,25)系列荧光粉。在450 nm蓝光激发下,测试了样品的发射光谱,得到了中心波长在550 nm的可见宽带发射(Ce~(3+):5d→4f)和1 030 nm的近红外发射(Yb~(3+):2F_(5/2)→2F_(7/2))。可见和近红外发射强度随Yb~(3+)掺杂浓度的变化表明Ce~(3+)到Yb~(3+)存在能量传递过程,并得到Yb~(3+)的猝灭浓度为15%。在低温条件下(80~300 K)测试YAG∶1%Ce~(3+),15%Yb~(3+)样品的发射光谱和拉曼光谱,通过对其量子剪裁发光温度特性的分析,描述了基质声子在Ce~(3+)到Yb~(3+)的能量传递过程中起到的重要作用。     

Yb~(3+)/Tm~(3+)共掺的硅酸盐玻璃上转换发光性能

采用高温熔融法制备了掺杂不同比例Yb~(3+)和Tm~(3+)的硅酸盐玻璃。吸收光谱表明,Yb~(3+)和Tm~(3+)在300~1 100 nm的吸收过程彼此不干扰。研究了玻璃样品在980 nm LD泵浦下的上转换发光行为,结果表明:Yb~(3+)/Tm~(3+)在477 nm(1G4→3H6)发射强烈的上转换蓝光,在654 nm(1G4→3F4)发射较弱的红光,在795 nm(3H4→3H6)发射微弱的红外光。提高Yb~(3+)的比例均能够提高477 nm蓝光、654 nm红光和795 nm红外光的发射强度。研究分析了上转换发光强度与激光器泵浦功率之间的关系,结果表明上转换蓝光和红光发射均为三个光子过程,红外光发射为两个光子过程。分析了Yb~(3+)、Tm~(3+)在硅酸盐玻璃中上转换发光的机制。     

Near-infrared quantum cutting through a three-step energy transfer process in Nd(3+)-Yb(3+) co-doped fluoroindogallate glasses

The Nd(3+)-Yb(3+) couple was investigated in fluoroindogallate glasses using optical spectroscopy to elucidate the energy transfer mechanisms involved in the downconversion (DC) process. Upon excitation of a Nd(3+) ion by an ultraviolet photon, DC through a three-step energy transfer process occurs, in which the energy of the ultraviolet photon absorbed by the Nd(3+) ion is converted into three infrared photons emitted by Yb(3+) ions, i.e.?quantum cutting (QC). In addition, with excitation in the visible, our results confirm that the DC process occurs through a one-step energy transfer process, in which the energy of a visible photon absorbed by the Nd(3+) ion is converted into only one infrared photon emitted by an Yb(3+) ion. Time-resolved measurements enabled the estimation of the efficiencies of the cross-relaxation processes between Nd(3+) and Yb(3+) ions.     

镱浓度对钬镱双掺二氧化钛上转换发光的影响

以钛酸丁酯为前躯体,乙醇为溶剂,冰乙酸为催化剂,用溶胶-凝胶法制备了TiO2∶Ho3+/Yb3+上转换发光纳米粉体,并研究其上转换发光机制.通过X射线衍射,能谱及扫描电镜对样品进行表征,结果表明样品是金红石型结构的粉体,样品中含有所掺杂的元素Ho和Yb,样品颗粒非常细小,直径约为100 nm,呈球形,并有明显的团聚现象.在常温下选用中心波长为980 nm、最大输出功率500 mV二极管激光器作激发光源测定样品的上转换发光性能,结果显示:在TiO2∶Ho3+/Yb3+样品的上转换荧光光谱中观察到红光和绿光,且绿光的强度比红光的强,绿光的强度约是红光强度的两倍,当Yb3+离子浓度为2.5 mol%时,位于543 nm处绿光的发射强度达到最大值.并详细研究了上转换发光机制.     

α-TeO2∶Tm3+,Ho3+,Yb3+纳米材料的红绿蓝色上转换发光（英文）

利用简单的水热合成法成功制备出α-TeO2∶Ho3+,Yb3+、α-TeO2∶Tm3+,Yb3+和α-TeO2∶Tm3+,Ho3+,Yb3+纳米材料,用980 nm的近红外光作为激发光源测定了样品的室温上转换发射光谱。结果表明:样品α-TeO2∶Ho3+,Yb3+分别发射绿光(545 nm)和红光(651 nm),分别对应于Ho3+离子的5S2→5I8和5F5→5I8能级跃迁。随着Yb3+的摩尔分数从5%增加到15%,样品在545 nm处的绿光强度明显变大,发光颜色由黄光向绿光转变。样品α-TeO2∶Tm3+,Yb3+在476 nm处发射出蓝光,对应于Tm3+离子的1G4→3H6能级跃迁,两个弱红光峰(651,675 nm)分别对应于Tm3+离子的1G4→3F4和3F2→3H6能级跃迁。随着Yb3+离子浓度的提高,蓝光与红光的相对强度也在显著提高。基于可调控性蓝光、绿光和红光的产生,α-TeO2∶Tm3+,Ho3+,Yb3+纳米材料能产生不同颜色的光,包括白光。     

溶胶-凝胶法制备Bi3+,Yb3+单掺和共掺Gd2O3荧光粉及其荧光性能

利用溶胶-凝胶法制备了Bi³⁺、Yb³⁺单掺和共掺的Gd₂O₃荧光粉。研究了Gd_2-x-yO₃: Bi_x³⁺,Yb_y³⁺的制备条件并表征了Gd_2-x-yO₃: Bi_x³⁺,Yb_y³⁺的荧光性能。 由于Gd₂O₃: Bi³⁺,Yb³⁺中Bi³⁺对Yb³⁺的能量传递,Gd₂O₃: Bi³⁺,Yb³⁺在Bi³⁺的特征激发峰338 nm激发时,可以产生Yb³⁺的900~1 100 nm近红外特征发射和Bi³⁺的400~700 nm特征发射的两个波段光谱。所制备的Gd₂O₃: Bi³⁺,Yb³⁺荧光材料可将太阳光谱中硅太阳能电池吸收较弱的300~400 nm光转换成有较强吸收的500~700 nm 和1 000 nm附近的近红外光子,提高硅太阳能电池的光伏效率。     

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.     

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。     

Sr_3Al_2O_6∶Tb~(3+),Yb~(3+)荧光粉的近红外量子剪裁效应

硅材料带隙与太阳光子光谱的失配导致了比较严重的光子损失,大大降低了硅太阳能电池的效率。为了减少入射光子的损失,可以利用具有近红外量子剪裁效应的光谱转换材料来提高硅太阳能电池的效率。本研究采用溶胶凝胶法制备了Sr_3Al_2O_6∶Tb~(3+),Yb~(3+)荧光粉,并研究了其近红外量子剪裁效应。实验结果表明:在320 nm的紫外光激发下,Sr_3Al_2O_6∶Tb~(3+),Yb~(3+)荧光粉发射出Tb~(3+):5D4→~7F_j的可见光;另外,由于Tb~(3+)、Yb~(3+)离子之间的合作能量传递,得到了Yb~(3+):~7F_(5/2)→7F7/2的近红外发光。荧光寿命衰减证明Tb~(3+)到Yb~(3+)之间的确存在合作能量传递,而且存在量子剪裁效应,其中,能量传递效率为35.9%,量子剪裁效率为135.9%。由于Yb~(3+)的发射光谱与硅太阳能电池的吸收匹配,Sr_3Al_2O_6∶Tb~(3+),Yb~(3+)荧光粉有可能作为潜在的光谱转换材料应用于硅太阳能电池以提高其光电转换效率。     

锗酸盐玻璃中Yb3+/Tm3+/Ho3+掺杂浓度对2 μm发光的影响

为了研究锗酸盐玻璃中采用Yb3+/Tm3+/Ho3+三掺杂方式实现2 μm激光的可行性,研究了3种稀土离子的掺杂浓度对近2 μm发光的影响,从而对稀土离子掺杂浓度进行优化选择以确定理想的掺杂浓度.实验结果表明,在TmF3掺杂摩尔分数为1%时,随着Yb3+浓度的提高Ho3+的2 μm荧光强度增强;当TmF3掺杂摩尔分数为3%时,随着Yb3+浓度的提高Ho3+的2 μm荧光强度降低;随着Yb3+浓度的提高,Tm3+的近2 μm荧光发射会得到增强,且当Tm3+浓度较高时其发光更为明显,这相对削弱了Ho3+的2 μm荧光.Ho3+2 μm发光受Tm3+/Ho3+的浓度比值影响很大,即用980 nm光抽运三掺杂样品,无论Tm3+浓度单一提高还是Ho3+浓度单一降低,对于Ho3+的2μm荧光都是不利的.     

Red and near infrared down-conversion in Er3+/Yb3+ co-doped YF3 performed by quantum cutting

Er³⁺/Yb³⁺ co-doped YF₃ powder is prepared by combining a nitrate decomposition method with a NH₄HF₂ fluorization process, from which efficient energy transfer induced down-conversion is achieved. An absorbed 365 nm near ultraviolet photon is split into two photons of 650 nm red and 1000 nm near infrared radiations, both falling in the responding region of Si-based solar cells. The quantum cutting mechanism has been proposed and discussed and the energy transfer efficiency for the quantum cutting is evaluated by developing an emission intensity ratio contrast method. The investigation might offer a new possible approach to achieve Si-based solar cells of high efficiency by down-converting the near ultraviolet part of the solar spectrum.