Y2O3:Yb3+/Er3+納米片的制備及其上轉(zhuǎn)發(fā)光性能研究

王 偉

(克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 獨山子 833699)

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Y2O3:Yb3+/Er3+納米片的制備及其上轉(zhuǎn)發(fā)光性能研究

王 偉

(克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 獨山子 833699)

采用共沉淀法制備了Yb3+/Er3+共摻的Y2O3上轉(zhuǎn)換熒光材料，利用X-射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)、熒光光譜儀(以980 nm激光器作為光源)對合成樣品的結(jié)構(gòu)、形貌、發(fā)光性能進(jìn)行了表征。分析結(jié)果表明：所制備的樣品物相與Y2O3基質(zhì)的物相基本一致；在掃描電子顯微鏡觀察下，Y2O3:Yb3+/Er3+呈片狀；當(dāng)用980 nm激光激發(fā)樣品時，可以觀測到波長位于525 nm、550 nm處的綠色發(fā)射和波長位于660 nm處的紅色發(fā)射光譜，分別對應(yīng)于Er3+的2H11/2，4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2特征躍遷。

Y2O3；上轉(zhuǎn)換；Yb3+/Er3+共摻

上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料能夠通過多光子機制將能量低的長波輻射轉(zhuǎn)化為能量高的短波輻射。是一種反斯托克斯(anti-Stokes)過程[1]。在基質(zhì)材料中，Y2O3具有優(yōu)良的耐熱、耐腐蝕和高溫穩(wěn)定性等優(yōu)點，且由于其較大的導(dǎo)帶到價帶的帶隙能夠容納大多數(shù)三價稀土離子的發(fā)射能級，從而實現(xiàn)不同的發(fā)光過程[2-3]；同時Y2O3粉末較氟化物聲子能量較低(最大聲子能量約為600 cm-1)，這使其能夠降低能級之間的無輻射躍遷幾率，從而提高上轉(zhuǎn)換的發(fā)光效率。稀土離子中的Er3+對位于紅外區(qū)的特定波長的光具有較強吸收能力，且其綠光輻射具有較高的猝滅濃度，因此，Er3+是實現(xiàn)紅外光到可見光上轉(zhuǎn)換的重要激活劑；Yb3+能級與泵浦源波長的高匹配性及長激發(fā)態(tài)壽命等特點，可作為優(yōu)良的敏化離子提高上轉(zhuǎn)換效率。所以Yb3+和Er3+共摻可獲得上轉(zhuǎn)換效率較高的材料。本文通過共沉淀法制備了Yb3+/Er3+共摻雜Y2O3上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，分析和討論了樣品的物相、表面形貌和上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)。

1 實 驗

1.1 實驗試劑

本試驗中使用的試劑Y2O3、Yb2O3、Er2O3純度均為99.99%；HNO3、NaOH、HO(CH2CH2O)nH均為分析純；H2O為去離子水。

1.2 實驗過程

采用共沉法制備了Y2O3:Yb3+/Er3+熒光粉。按照化學(xué)計量比稱重Y2O3、Yb2O3、Er2O3，用適量濃HNO3溶解稀土氧化物，加熱配成一定濃度的稀土硝酸鹽溶液，向混合溶液中加入HO(CH2CH2O)nH，然后用NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液的pH值約為9.0。在80 ℃下恒溫反應(yīng)2 h，將得到的沉淀洗滌后置于烘箱中120 ℃下干燥4 h，將樣品轉(zhuǎn)移到馬弗爐中800 ℃灼燒6 h，隨爐冷卻，經(jīng)研磨得到Y(jié)2O3:Yb3+/Er3+粉末樣品。

1.3 表征儀器

采用Rigaku D/Max-3C型X-射線粉末衍射儀對產(chǎn)物進(jìn)行物相分析。測試條件為：CuKα輻射 (λ=1.54056 ?)，電壓為40 kV，電流為30 mA，掃描速度為8 °/min，步長為0.02°。采用Hitachi F-4600熒光分光光度計測試樣品的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜。測試條件為：激發(fā)光源為980 nm激光器。波長范圍為450～700 nm，掃描速度為240 nm/s。采用FEI Quanta 200型掃描電子顯微鏡對樣品進(jìn)行形貌以及微觀結(jié)構(gòu)觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品Y2O3:Yb3+/Er3+的物相分析

通常情況下，材料的發(fā)光性能在很大程度上取決于摻雜后材料的物相，摻雜后材料的物相與基質(zhì)材料物相一致，說明稀土離子進(jìn)入了晶格內(nèi)部，材料具有較好的發(fā)光性能，因此，我們首先測定和討論了所合成材料的物相。

圖1 Y2O3:Yb3+/Er3+的X-射線衍射圖

2.2 樣品Y2O3:Yb3+/Er3+的形貌分析

圖2 Y2O3:0.180Yb3+/0.020Er3+(a)和 Y2O3:0.200Yb3+/0.025Er3+(b)的掃描電鏡圖

樣品的尺寸和形貌對其發(fā)光性能有一定的影響，因此，利用SEM觀察了所制備樣品的尺寸和形貌。圖2是樣品Y2O3:Yb3+/Er3+的掃描電鏡圖片，由圖2可見，通過共沉淀法制備的Y2O3:0.180Yb3+/0.020Er3+和Y2O3:0.200Yb3+/0.025Er3+呈納米片狀，片的厚度約為10 nm，形狀規(guī)則，分布均勻，由此可以推測樣品具有較好的發(fā)光性能。樣品有輕微的團聚現(xiàn)象，可能是由于產(chǎn)物的顆粒小、表面能大，或者是焙燒過程中的局部溫度過高而引起的[4]。

2.3 樣品Y2O3:Yb3+/Er3+的上轉(zhuǎn)化發(fā)光性質(zhì)分析

眾所周知，上轉(zhuǎn)換發(fā)光是指材料吸收長波輻射出短波的現(xiàn)象，或?qū)⒓t外輻射轉(zhuǎn)變成可見光的現(xiàn)象。本實驗采用波長為980 nm激光器作為激發(fā)光源來實現(xiàn)上轉(zhuǎn)換發(fā)光。因為980 nm激發(fā)光子的能量與 Yb3+從基態(tài)2F7/2到激發(fā)態(tài)2F5/2的基態(tài)吸收相共振，而與Er3+從基態(tài)到任何激發(fā)態(tài)的吸收過程都不匹配，所以在本實驗中，Yb3+作為敏化劑來吸收光源能量，Er3+作為激活劑產(chǎn)生上轉(zhuǎn)換發(fā)光。

圖3 Y2O3:Yb3+/Er3+的上轉(zhuǎn)換光譜圖

Y2O3:Yb3+/Er3+的上轉(zhuǎn)換光譜如圖3所示，由圖3可見，樣品Y2O3:0.180Yb3+/0.020Er3+和Y2O3:0.200Yb3+/0.025Er3+上轉(zhuǎn)換光譜由位于525 nm和550 nm處的綠色發(fā)射和位于660 nm處的紅色發(fā)射組成，分別對應(yīng)于Er3+的2H11/2，4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2躍遷。樣品Y2O3:0.180Yb3+/0.020Er3+和Y2O3:0.200Yb3+/0.025Er3+的紅綠比相差較大，其紅綠比分別為3:10和2:1。其次，Y2O3:Yb3+/Er3+的上轉(zhuǎn)換光譜中，綠色發(fā)射和紅色發(fā)射對應(yīng)的輻射躍遷有明顯的能級劈裂現(xiàn)象，這可能是由于基質(zhì)Y2O3的晶體場強度較大而引起的[5]。

3 結(jié) 論

本文通過共沉淀法制備了Y2O3:Yb3+/Er3+上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，利用X-射線衍射儀、上轉(zhuǎn)換光譜、掃描電子顯微鏡分析和討論了樣品的結(jié)構(gòu)特點、發(fā)光性能及形貌特點。分析結(jié)果表明，所合成的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料Y2O3:Yb3+/Er3+均為純相，樣品的表面形貌為納米片狀，樣品具有較優(yōu)異的上轉(zhuǎn)化發(fā)光性能。樣品Y2O3:0.180Yb3+/0.020Er3+和Y2O3:0.200Yb3+/0.025Er3+的紅綠比相差較大，其原因還需進(jìn)一步研究。

[1] 王偉. 稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的研究與應(yīng)用[J].廣州化工,2014,42(11):32-34.

[2] Ye Yanxi, Liu Enzhou, Hu Xiaoyun, et al. Preparation and luminescence properties of YO:Er/TiO with high specific surface area[J]. Chinese Science Bulletin,2011,56(25):2668-2673.

[3] Ji Ruonan, Ye Yanxi, Hu Xiaoyun, et al. The green-emitting fluorescence of nano Y2O3:Er3+under different excitations [J]. Science Chinese,2012,55(7):1152-1157.

[4] 翟永清,楊國忠,劉宇,等.新型紅色熒光粉SrO·Y2O3:Eu的合成及其發(fā)光性能研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2008,28(003):522-526.[5] 鄭龍江,高曉陽,劉海龍,等.980 nm LD泵浦Er3+/Yb3+共摻Y(jié)2O3納米粉所致熱效應(yīng)的研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析,2013,33(1):151-154.

Preparation and Luminescence Properties of Y2O3:Yb3+/Er3+

WANGWei

(Karamay Vocational & Technical College, Xinjiang Dushanzi 833699, China)

Yb3+and Er3+co-doped Y2O3were synthesized by co-precipitation method. The structures detected by X-ray powder diffraction and the surface morphology of phosphors were characterized by scanning electron microscopy, up-conversion luminescent properties of phosphors were characterized by Hitachi F-4600 fluorescence spectrometer which were pumped by 980 nm laser diode. The results showed that the structures of phosphors were consistent to Y2O3, under the detected of scanning electron microscopy, Y2O3:Yb3+/Er3+present flake, under 980 nm excitation, green and red emissions centered at 525, 550 and 656 nm were observed, which were ascribed to2H11/2,4S3/2→4I15/2and4F9/2→4I15/2transition of Er3+.

Y2O3; up-conversion; Yb3+/Er3+co-doped

王偉(1984- )，女，講師，主要研究方向為稀土發(fā)光材料。

TB321

A

1001-9677(2016)023-0051-02