基于Dy3+摻雜的硼硅酸鹽玻璃的多色熒光發(fā)射及調(diào)節(jié)

何萬(wàn)益

摘 要 我們研究了Dy3+摻雜B2O3-SiO2-Na2O-SrF2硼硅酸鹽玻璃的發(fā)光性質(zhì)。紫外光激發(fā)下，Dy3+的被激發(fā)到高能級(jí)的電子向低能級(jí)躍遷發(fā)射出可見(jiàn)光。同時(shí)采用JO理論計(jì)算得到的輻射屬性參數(shù)表明該玻璃基質(zhì)具有較好的受激發(fā)射能力。引入Ce3+后，不僅能通過(guò)Ce3+→Dy3+的能量傳遞增強(qiáng)熒光發(fā)射強(qiáng)度，而且能實(shí)現(xiàn)熒光發(fā)射的調(diào)節(jié)及白光發(fā)射，表明該玻璃體系在白光LED領(lǐng)域具備潛在的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】電子躍遷 可見(jiàn)光 增強(qiáng) 白光LED

1 引言

Dy3+的藍(lán)、黃光這兩個(gè)特征發(fā)射使得其在光通信，白光LED和太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域具備潛在的技術(shù)應(yīng)用。由于Dy3+的黃光發(fā)射躍遷屬于超敏躍遷，很容易受到周?chē)h(huán)境的影響。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在不斷地研究Dy3+摻雜不同體系玻璃的光學(xué)屬性。本文，我們研究了Dy3+在B2O3-SiO2-Na2O-SrF2硼硅酸鹽玻璃中的發(fā)光性質(zhì)，并通過(guò)計(jì)算輻射屬性參數(shù)來(lái)評(píng)估Dy3+在該玻璃基質(zhì)中的發(fā)光性能。

盡管合適的基質(zhì)環(huán)境會(huì)使 Dy3+發(fā)出較強(qiáng)強(qiáng)度的黃光，但f-f 禁態(tài)躍遷引起的Dy3+的較小的吸收截面使得黃光發(fā)射強(qiáng)度仍受到限制，所以如何提高 Dy3+的發(fā)射強(qiáng)度一直受到學(xué)者們的關(guān)注。本文基于能量傳遞的思想，選擇了Ce3+與Dy3+共摻，研究了Ce3+/Dy3+共摻硼硅酸鹽玻璃體系下的增強(qiáng)的藍(lán)、黃光發(fā)射強(qiáng)度。

由于稀土摻雜的發(fā)光玻璃具有發(fā)光均勻，制備工藝簡(jiǎn)單，良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，所以稀土摻雜的發(fā)光玻璃具有成為白光LED用發(fā)光材料的潛力。Dy3+的特征發(fā)射使其可以作為白光發(fā)射的激活劑，而Ce3+又能夠發(fā)射藍(lán)光以作為補(bǔ)償光與Dy3+的發(fā)射光復(fù)合成白光。于是，我們研究了Ce3+/Dy3+共摻硼硅酸鹽玻璃的熒光發(fā)射的調(diào)節(jié)，并實(shí)現(xiàn)了白光發(fā)射。

2 Dy3+摻雜的硼硅酸鹽玻璃的多色熒光發(fā)光性質(zhì)

20B2O3-50SiO2-20Na2O-10SrF2-0.5DyF3玻璃的吸收光譜如圖1所示，位于347nm，363nm，385nm，450nm，795nm和888nm處的吸收峰分別對(duì)應(yīng)于基態(tài)6H15/2 到激發(fā)態(tài) 6P7/2，6P5/2，4I13/2，4G11/2，4I15/2和4F9/2的躍遷。根據(jù)吸收光譜和JO理論公式[1，2]，采用最小二乘法擬合出 JO參數(shù)Ωt（t=2， 4， 6），分別是 28.13×10-20cm2， 1.45×10-20cm2， 1.43×10-20cm2。Ω2表明該基質(zhì)中Dy3+離子周?chē)哂懈叻菍?duì)稱(chēng)性環(huán)境。光譜質(zhì)量因子x=Ω4 /Ω6 是衡量玻璃基質(zhì)受激發(fā)射能力的一個(gè)重要參數(shù)，且在 0.42-1.92范圍內(nèi)的基質(zhì)適合用來(lái)作為激光材料。該玻璃基質(zhì)的光譜質(zhì)量因子是1.01，表明該玻璃基質(zhì)具有較好的受激發(fā)射能力。

不同Dy3+濃度摻雜的玻璃在354nm激發(fā)下的發(fā)射光譜如圖2所示，發(fā)射峰位于482nm，575nm，665 nm處的藍(lán)光，黃光和紅光分別對(duì)應(yīng)于4F9/2到6H15/2，6H13/2和6H11/2的躍遷。發(fā)射光的強(qiáng)度隨著Dy3+濃度的增大先增大后減小；增大是由于發(fā)光中心數(shù)量的增多，減小是由于濃度猝滅。根據(jù)JO理論求得0.5 Dy3+摻雜玻璃的黃光發(fā)射的輻射屬性參數(shù)：自發(fā)輻射躍遷幾率916.52，熒光分支比0.60，和受激發(fā)射截面33.16×10-22cm2。受激發(fā)射截面是評(píng)估光學(xué)材料能量效率的重要參數(shù)。該玻璃基質(zhì)的受激發(fā)射截面大于NaLTB玻璃的24.55×10-22cm2，LBTAF玻璃的26.13×10-22cm2，鋇氟硼酸鹽玻璃的27.04×10-22cm2，而且熒光分支比大于0.5。這些參數(shù)表明該玻璃基質(zhì)有潛力應(yīng)用于激光材料。

3 Ce3+調(diào)節(jié)的增強(qiáng)的多色熒光發(fā)射強(qiáng)度

Ce3+單摻玻璃的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜如圖3所示。由圖可見(jiàn)，Ce3+的發(fā)射帶與Dy3+的激發(fā)帶有較好的重疊，尤其是Ce3+位于392nm處的發(fā)射峰和Dy3+最強(qiáng)的激發(fā)峰相對(duì)應(yīng)，表明存在著Ce3+→Dy3+能量傳遞的可能性。由于Ce3+在327nm 處具有較強(qiáng)且較寬的激發(fā)帶，而327nm又是Dy3+的其中一個(gè)激發(fā)峰，所以我們選擇了327nm作為激發(fā)波長(zhǎng)。327nm 激發(fā)下的發(fā)射光譜如圖4所示。由圖可知，引入Ce3+后，Dy3+的藍(lán)、黃光發(fā)射強(qiáng)度得到了明顯的增強(qiáng)，這表明Ce3+將部分能量傳遞給了Dy3+。Dy3+的發(fā)射光強(qiáng)度在摻雜 0.5mol Ce3+時(shí)達(dá)到最大。故在共摻0.5 Dy3+/0.5Ce3+時(shí)的藍(lán)、黃光發(fā)射強(qiáng)度達(dá)到最大。

4 Ce3+調(diào)節(jié)的色坐標(biāo)

基于我們所研究的硼硅酸鹽玻璃基質(zhì)中的Dy3+的藍(lán)、黃光發(fā)射強(qiáng)度得知可以通過(guò)補(bǔ)償藍(lán)光來(lái)實(shí)現(xiàn)白光的發(fā)射，而Ce3+正好能發(fā)射藍(lán)光。于是，我們分析了 Ce3+/Dy3+共摻體系的色坐標(biāo)，如圖5所示。0.5 Dy3+單摻體系的色度坐標(biāo)為 （0.318， 0.373）。0.5 Ce3+單摻體系的色度坐標(biāo)為 （0.173， 0.109）。0.5 Dy3+/0.5 Ce3+共摻體系的色度坐標(biāo)為（0.308，0.280），位于白光區(qū)域，這是由于Ce3+的藍(lán)光和Dy3+的藍(lán)、黃光復(fù)合成了白光。

5 總結(jié)

我們研究了Dy3+單摻B2O3-SiO2-Na2O-SrF2硼硅酸鹽玻璃的多色熒光發(fā)光性質(zhì)。光譜質(zhì)量因子，熒光分支比和受激發(fā)射截面幾個(gè)重要參數(shù)表明該基質(zhì)具有較強(qiáng)的黃光發(fā)射能力，有潛力應(yīng)用于激光材料。在Dy3+/Ce3+共摻玻璃體系中，Ce3+不僅能通過(guò)能量傳遞增強(qiáng)Dy3+的熒光發(fā)射強(qiáng)度，而且能調(diào)節(jié)色坐標(biāo)使其位于白光區(qū)域，由此表明Ce3+/Dy3+共摻玻璃體系在白光LED領(lǐng)域具備潛在的應(yīng)用。

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作者單位

南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院 江蘇省揚(yáng)州市 225127endprint