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稀土掺杂多金属氧化物的制备及其发光性质的研究

作　者: 卢俊杰
导　师: 赵崇军
学　校: 华东理工大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 白光LED 稀土离子多金属氧化物掺杂共掺杂上转换发射
分类号: O611.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

能源与环保是21世纪全球所面临的亟待解决的两大社会主题：一方面如何更有效地利用太阳能等清洁能源,另一方面如何降低能耗,实现节能、绿色环保经济,成为人们探索的重要途径。太阳能电池是有效利用日光进行光电转换的装置,目前通过提高晶硅纯度以提高光电转换的空间已然不大,科研工作者开始关注如何捕获更多的日光能量来提高光的利用率。能使单晶硅产生光电转换的能量为1.1个电子伏特(1.1ev),也就是说低于1127nm的光波段理论上均能被吸收而产生光电转换,但由于能量密度差异,能被有效吸收利用的光能量主要集中在400-700nm的高能区,利用率不到40%。如何将700-1127nm的低能区,乃至高于1127nm的红外区光能转换到能有效激发单晶硅产生光电转换的高能光区成为了极有价值的研究方向。另一方面,LED,特别是白光LED,(与传统照明相比)是一种显著节能的绿色照明,同时具有亮度高,寿命长,体积小等特点。上述两种功能器件的实现的关键在于高效上转换发光材料和下转换发光材料的探索,为此,本论文选用两种或两种以上的金属氧化物作为基体,通过不同稀土离子的掺杂,从以下三个方面进行了研究：(1)双稀土离子掺杂氧化钛-氧化锆复合纳米晶的上转换发光性质的研究：以氧化钛-氧化锆双金属氧化物形成的复合材料作为基体,利用两种稀土离子Tm3+-Yb3+、Er3+-Yb3+分别对复合材料进行共掺杂。发光性质研究的结果表明：在980nm的激光激发下,Tm3+-Yb3+共掺杂的氧化钛-氧化锆复合材料可以发射出蓝光和红光两处上转换波段,而且,ZT0.4 (40% ZrO2-60% TiO2-1%Tm3+-4% Yb3+)的复合材料的发光性能最佳。Er3+-Yb3+共掺杂的氧化钛-氧化锆复合材料在同一波长激光激发下,发射出强绿色和红色上转换荧光,绿光和红光的比例可以通过改变掺杂浓度来调节。(2)稀土Ce3+离子掺杂的YAG钇铝石榴石荧光粉的制备及其发光性质的研究：利用共沉淀法,结合随后的热处理(1300℃,2小时),得到Ce:YAG荧光粉。该方法制备的Ce:YAG荧光粉单颗粒的粒径为500nm左右,团聚颗粒的粒度范围为15-20μm。该荧光粉的激发波长为465nm,发射波段为500-600nm的宽谱(黄绿光,属于Ce3+离子的5d→4特征跃迁),与465nm激发光混色后,可以形成高亮度白光。掺杂和热处理条件的系统性研究表明,阴离子(尤其是阴离子基团)、热处理温度、以及热处理气氛都是影响发光性能的重要因素。(3)Eu2+离子掺杂或与其他稀土离子(Ce3+、Gd3+)共掺杂的Sr3SiO5暖白光荧光粉的制备及其发光性质的研究：首先采用分步沉淀法合成Eu2+掺杂Sr3SiO5荧光粉,其粉体粒径约为30μm。Eu2+离子的引入及掺杂量的变化会显著影响Sr3SiO5荧光粉位于443nm,592nm两处的发光峰,不过影响效果略有所不同：随着Eu2+离子浓度的增加(0.5%-12%),443nm处的峰强度先增加直至最大(对应Eu2+：1%),然后降低；592nm处峰的变化规律一致,不同的是最大值出现在3%Eu2+。共掺杂的结果证实：Gd3+的引入,会引起Eu2+：Sr3SiO5的443nm处的发射峰红移,且强度略有降低,而592nm处的发射峰则基本消失；Ce3+的进一步掺入对Eu:Sr3SiO5荧光粉的两处发射峰都有增强效应。

稀土掺杂多金属氧化物的制备及其发光性质的研究

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