稀土離子摻雜玻璃的制備與發光性能分析

劉寧

摘要：稀土離子摻雜玻璃是良好的發光基質材料，廣泛的應用于激光、光學放大器、光通訊等多方面。本文通過對稀土離子摻雜高硅氧玻璃的制備與發光性能進行分析，旨在提出稀土離子摻雜高硅氧玻璃的制備工藝，充分挖掘稀土離子摻雜高硅氧玻璃的發光性能，為稀土離子摻雜高硅氧玻璃的應用提供理論依據與實踐指導。

關鍵詞：稀土離子；高硅氧玻璃；制備；發光性能

中圖分類號： ：TQ171.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）02（c）-0000-00

稀土離子摻雜高硅氧玻璃的發光強度由其制備工藝參數決定，若能優化稀土離子摻雜高硅氧玻璃的制備工藝和技術，進一步提高稀土離子摻雜高硅氧玻璃發光強度，就能為探索一條全新的高穩定性、自主知識產權的稀土離子摻雜高硅氧玻璃制備的新途徑奠定基礎。

一、稀土元素和稀土發光材料

稀土元素是元素周期表中17種元素的總稱，包括原子序數為21的鈧（Sc）、39的釔（Y）和57到71的鑭系元素。

稀土離子摻雜高硅氧玻璃是良好的發光基質材料，通過在稀土離子摻雜中摻雜高硅氧玻璃可以在一定波長激發下使高硅氧玻璃材料用某種方式吸收外界能量，讓電子從基態被激發躍遷到激發態。

二、稀土離子摻雜高硅氧玻璃的制備工藝

稀土離子摻雜高硅氧玻璃制備工藝主要包括高硅氧玻璃制備、稀土離子摻雜和高硅氧玻璃燒結三個步驟。

（1）高硅氧玻璃制備：高硅氧玻璃制備主要是在一定溫度下將鈉硼硅酸鹽基體高硅氧玻璃保溫一段時間，并進行分相。通過分相將原本結構均勻的高硅氧玻璃轉化為鈉硼相和硅相。將分相后的高硅氧玻璃浸泡在稀酸中，直到溶出鈉硼相，并對溶出鈉硼相進行反復沖洗，得到三維聯通孔結構的富硅相，即納米多孔高硅氧玻璃。納米多孔高硅氧玻璃的化學成分通常有95%以上都是二氧化硅，其多孔的孔徑、比表面積、孔容積等參數的大小直接決定了稀土離子的摻雜量多少。由此可知，納米多孔高硅氧玻璃是后續稀土離子摻雜工藝中稀土離子的載體，其孔徑、比表面積、孔容積等參數對稀土離子摻雜高硅氧玻璃發光強度的大小具有重要的影響。

（2）稀土離子摻雜：在一定濃度的稀土離子溶液中浸泡納米多孔高硅氧玻璃，一段時間后就可以實現稀土離子摻雜。充分干燥摻雜稀土離子的納米多孔高硅氧玻璃，將干燥后的稀土離子摻雜高硅氧玻璃存在干燥器內。

（3）高硅氧玻璃燒結：按照一定的溫度對摻雜了稀土離子的納米多孔高硅氧玻璃進行燒結，收縮聯通多孔，量脫除納米微孔高硅氧玻璃內表面存在的羥基。然后通過拋光得到稀土離子摻雜高硅氧玻璃。采用何種燒結氣氛應根據選取的稀土離子和發光要求而定，除了Eu3+等少數稀土離子，通常在還原氣氛下燒結得到的稀土離子發光更強。

三、稀土離子摻雜高硅氧玻璃的發光性能

（一）Sm3+摻雜量對發射光譜的影響：以Sm3+摻雜量與發光性質的關系為研究對象，采用Endiber公司的FLS920型穩態/瞬態熒光光譜儀測試了不同溶液濃度摻雜下Sm3+摻雜高硅氧玻璃樣品的激發光譜。測量范圍為200-450nm時，Sm3+激發光譜如圖2。在313、340、358、371和401nm有明顯的激發峰.均是由于Sm3+的f-f躍遷造成的，最大激發峰位于401nm。

以401nm為激發波長，在550nm～680nm的測試范圍內，Sm3+摻雜高硅氧玻璃樣品的發射光譜。

Sm3+有三個發射特征峰位于564nm，602nm，649nm，分別是由于Sm3+的4G5/2 6HJ（J=5/2，7/2，9/2）電子躍遷引起的。由圖可知，摻雜量的改變并不會影響Sm3+發射峰的中心波長，僅會改變峰值強度。

隨著摻雜溶液濃度的增加，Sm3+離子摻雜量逐漸增加，離子間距離逐漸減小。以Sm3+離子摻雜量為橫坐標，不同發射峰強度為縱坐標做圖。

隨著摻雜量的增加，高硅氧玻璃發光強度先增大后降低的現象稱為濃度猝滅現象。Sm3+離子的主要猝滅過程是4G5/2 6F9/2與4H5/2 6F9/2能級對之間的交叉弛豫過程，如圖1。

激發到4G5/2能級上的離子，由于交叉弛豫過程相當多的激發離子從4G5/2能級轉移到6F9/2能級上，再經過輻射和弛豫過程消耗了有用的激發態離子數減少了熒光發射。

（二）Sm3+摻雜量對熒光壽命的影響：為了研究高硅氧玻璃中Sm3+離子摻雜量與熒光壽命的關系，采用Endiber公司的FLS920型穩態/瞬態熒光光譜儀測試各高硅氧玻璃樣品中Sm3+離子發光的熒光壽命。檢測波長選為Sm3+離子發射峰值最高的波長649nm，激發光波長為401nm。Sm3+離子熒光壽命通常在2ms左右，實驗中使用微秒脈沖閃光燈作為激發光源。

隨著摻雜量的增加，Sm3+離子熒光壽命不斷減小。這說明高硅氧玻璃中Sm3+的發生能量傳遞的臨界距離在0.8379nm到0.49nm之間，由于實驗中離子摻雜量變化比較大，無法得出精確的Sm3+離子最優摻雜量，需要繼續補充實驗。

結論

稀土離子摻雜發光高硅氧玻璃在激光、光學放大器、光通訊、儲能和顯示等光電領域有著廣泛的應用。高硅氧玻璃既具有氧化物高硅氧玻璃的高機械強度、高化學穩定性和熱穩定性等特點，又具有氟化物高硅氧玻璃聲子能低的優點，能有效地提高稀土離子的發光強度。本文通過對稀土離子摻雜高硅氧玻璃的制備工藝和發光性能分析，為稀土離子摻雜發光高硅氧玻璃的制備和應用具有重要的參考價值。

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