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Li+, Zn2+, Mg2+掺杂Lu2O3:Er3+荧光粉的制备及发光特性

王林香 庹娟 叶颖 赵海琴

王林香, 庹娟, 叶颖, 赵海琴. Li+, Zn2+, Mg2+掺杂Lu2O3:Er3+荧光粉的制备及发光特性[J]. 中国光学, 2019, 12(1): 112-121. doi: 10.3788/CO.20191201.0112
引用本文: 王林香, 庹娟, 叶颖, 赵海琴. Li+, Zn2+, Mg2+掺杂Lu2O3:Er3+荧光粉的制备及发光特性[J]. 中国光学, 2019, 12(1): 112-121. doi: 10.3788/CO.20191201.0112
WANG Lin-xiang, TUO Juan, YE Ying, ZHAO Hai-qin. Preparation and luminescence properties of Li+, Zn2+, Mg2+ doped Lu2O3: Er3+ phosphors[J]. Chinese Optics, 2019, 12(1): 112-121. doi: 10.3788/CO.20191201.0112
Citation: WANG Lin-xiang, TUO Juan, YE Ying, ZHAO Hai-qin. Preparation and luminescence properties of Li+, Zn2+, Mg2+ doped Lu2O3: Er3+ phosphors[J]. Chinese Optics, 2019, 12(1): 112-121. doi: 10.3788/CO.20191201.0112

Li+, Zn2+, Mg2+掺杂Lu2O3:Er3+荧光粉的制备及发光特性

doi: 10.3788/CO.20191201.0112
基金项目: 

新疆维吾尔自治区自然科学基金 2017D01A60

新疆师范大学新型光源与微纳光学重点实验室项目 XJNUSYS092018B06

详细信息
    作者简介:

    王林香(1979-), 女, 甘肃秦安人, 博士, 副教授, 2010年于中国科学技术大学获得博士学位, 主要从事纳米发光材料方面的研究。E-mail:wanglinxiang23@126.com

  • 中图分类号: O614.3;TQ17

Preparation and luminescence properties of Li+, Zn2+, Mg2+ doped Lu2O3: Er3+ phosphors

Funds: 

Natrural Science Foundation of Xinjiang, China 2017D01A60

Foundation of Xinjiang Normal University Laboratory of Novel Light Source and Micro/Nano-Optics, China XJNUSYS092018B06

More Information
  • 摘要: 用微波高温固相法合成了Er3+单掺Lu2O3,Li+与Er3+共掺Lu2O3及Li+,Zn2+,Mg2+掺杂Lu2O3:Er3+的荧光粉。实验表明金属离子Li+、Zn2+、Mg2+、Er3+掺杂Lu2O3,不影响Lu2O3的立方晶相。扫描电子显微镜测量表明,Li+掺杂可以有效改善粉体的分散性和形貌,Li+,Zn2+,Mg2+共掺杂获得的粉体颗粒分布更加均匀,粒径范围为80~100 nm。379 nm激发下,Li+与Er3+共掺样品发光较单掺Er3+样品在565 nm处的发光增强了4.5倍,而Li+、Zn2+、Mg2+与Er3+共掺样品较其发光增强5.3倍。980 nm激发下,Li+与Er3+共掺样品,Li+、Zn2+、Mg2+与Er3+共掺样品的发光分别比单掺Er3+样品在565 nm处发光增强23倍与39倍,在662 nm处发光强度分别增强20倍与43倍。379 nm激发下,较单掺Er3+的样品,掺杂Li+的样品和Li+,Zn2+,Mg2+和Er3+共掺的样品荧光寿命均有所增加,而Zn2+、Er3+共掺及Mg2+、Er3+共掺样品的荧光寿命则有所缩短。
  • 图  1  Li+, Zn2+, Mg2+掺杂Lu2O3:Er3+样品的XRD图

    Figure  1.  X-ray diffraction patterns of Lu2O3:Er3+ doped with Li+, Zn2+ and Mg2+ at different concentrations

    图  2  样品的SEM照片

    Figure  2.  Nanocrystalline SEM photos of No.2, No.6, No.11 samples

    图  3  Lu2O3:Er3+的激发光谱(a)及发射光谱(b)

    Figure  3.  Excitation(a) and emission spectra(b) of Lu2O3:Er3+ sample

    图  4  不同浓度Li+和Er3+共掺Lu2O3的激发光谱(a)和发射光谱(b)

    Figure  4.  Excitation(a) and emission spectra(b) of Lu2O3 samples co-doped with Li+ and Er3+

    图  5  Li+, Zn2+, Mg2+和Er3+共掺Lu2O3的激发光谱(a)和发射光谱(b)

    Figure  5.  Excitation(a) and emission spectra(b) of Li+, Zn2+, Mg2+co-doped Lu2O3:Er3+ samples

    图  6  980 nm激发下Li+, Zn2+, Mg2+, Er3+共掺Lu2O3的荧光粉的发射谱

    Figure  6.  Up-conversion emission spectra of Li+, Zn2+, Mg2+doped Lu2O3:Er3+ samples

    图  7  379 nm激发下Li+、Zn2+、Mg2+和Er3+共掺Lu2O3的荧光衰减曲线

    Figure  7.  Fluorescence decay curves of Li+, Zn2+, Mg2+ doped Lu2O3:Er3+ samples(λex=379 nm)

    表  1  不同浓度(摩尔质量百分比)Li+, Zn2+, Mg2+掺杂Lu2O3:Er3+样品

    Table  1.   Lu2O3:Er3+ doped with Li+, Zn2+ and Mg2+ at different concentrations

    Sample Er3+/% Li3+/% Zn2+/% Mg2+/% Lu2O3/%
    1 1 0 0 0 99
    2 2 0 0 0 98
    3 5 0 0 0 95
    4 2 1 0 0 97
    5 2 3 0 0 95
    6 2 5 0 0 93
    7 2 8 0 0 90
    8 2 12 0 0 86
    9 2 0 5 0 93
    10 2 0 0 5 93
    11 2 5 2.5 2.5 88
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    表  2  Li+, Zn2+, Mg2+掺杂Lu2O3 :Er3+样品的寿命

    Table  2.   Lifetime of Li+, Zn2+, Mg2+ doped Lu2O3:Er3+ samples

    λex/nm Energy level Sample 2 4 5 6 7
    lifetime/μs 51.366 9 55.281 9 61.408 5 63.623 1 61.908 8
    379 4S3/24I15/2 Sample 8 9 10 11
    lifetime/μs 61.289 5 44.300 7 42.958 8 61.672 5
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-20
  • 修回日期:  2018-04-19
  • 刊出日期:  2019-02-01

Li+, Zn2+, Mg2+掺杂Lu2O3:Er3+荧光粉的制备及发光特性

doi: 10.3788/CO.20191201.0112
    基金项目:

    新疆维吾尔自治区自然科学基金 2017D01A60

    新疆师范大学新型光源与微纳光学重点实验室项目 XJNUSYS092018B06

    作者简介:

    王林香(1979-), 女, 甘肃秦安人, 博士, 副教授, 2010年于中国科学技术大学获得博士学位, 主要从事纳米发光材料方面的研究。E-mail:wanglinxiang23@126.com

  • 中图分类号: O614.3;TQ17

摘要: 用微波高温固相法合成了Er3+单掺Lu2O3,Li+与Er3+共掺Lu2O3及Li+,Zn2+,Mg2+掺杂Lu2O3:Er3+的荧光粉。实验表明金属离子Li+、Zn2+、Mg2+、Er3+掺杂Lu2O3,不影响Lu2O3的立方晶相。扫描电子显微镜测量表明,Li+掺杂可以有效改善粉体的分散性和形貌,Li+,Zn2+,Mg2+共掺杂获得的粉体颗粒分布更加均匀,粒径范围为80~100 nm。379 nm激发下,Li+与Er3+共掺样品发光较单掺Er3+样品在565 nm处的发光增强了4.5倍,而Li+、Zn2+、Mg2+与Er3+共掺样品较其发光增强5.3倍。980 nm激发下,Li+与Er3+共掺样品,Li+、Zn2+、Mg2+与Er3+共掺样品的发光分别比单掺Er3+样品在565 nm处发光增强23倍与39倍,在662 nm处发光强度分别增强20倍与43倍。379 nm激发下,较单掺Er3+的样品,掺杂Li+的样品和Li+,Zn2+,Mg2+和Er3+共掺的样品荧光寿命均有所增加,而Zn2+、Er3+共掺及Mg2+、Er3+共掺样品的荧光寿命则有所缩短。

English Abstract

王林香, 庹娟, 叶颖, 赵海琴. Li+, Zn2+, Mg2+掺杂Lu2O3:Er3+荧光粉的制备及发光特性[J]. 中国光学, 2019, 12(1): 112-121. doi: 10.3788/CO.20191201.0112
引用本文: 王林香, 庹娟, 叶颖, 赵海琴. Li+, Zn2+, Mg2+掺杂Lu2O3:Er3+荧光粉的制备及发光特性[J]. 中国光学, 2019, 12(1): 112-121. doi: 10.3788/CO.20191201.0112
WANG Lin-xiang, TUO Juan, YE Ying, ZHAO Hai-qin. Preparation and luminescence properties of Li+, Zn2+, Mg2+ doped Lu2O3: Er3+ phosphors[J]. Chinese Optics, 2019, 12(1): 112-121. doi: 10.3788/CO.20191201.0112
Citation: WANG Lin-xiang, TUO Juan, YE Ying, ZHAO Hai-qin. Preparation and luminescence properties of Li+, Zn2+, Mg2+ doped Lu2O3: Er3+ phosphors[J]. Chinese Optics, 2019, 12(1): 112-121. doi: 10.3788/CO.20191201.0112
    • Lu2O3具有立方晶相结构,即晶粒生长具有各向同性。这种微观结构使透明陶瓷材料在光学领域的应用空间增大,便于光学陶瓷材料的设计。Lu2O3的价带和导带间的能隙很宽(约为6.5 eV),可容纳激活剂丰富的发射能级,且Lu2O3有较高的密度(9.42 g/cm3左右),对X射线和γ射线等具有较高的吸收系数,耐辐射性能好,物理化学性质稳定,有效声子能量低(600 cm-1),可作为新一代闪烁陶瓷及脉冲激光器的基质材料[1-2]

      稀土离子Er3+有着丰富的能级结构,且Er3+4S3/2能级同相邻的下能级4F9/2之间,具有较大能量间隙,不易发生无辐射跃迁,使得Er3+掺杂的纳米材料广泛应用于医学成像、光电子、军事、航空航天和新能源等领域[3-5]。尤其是Er3+掺杂Lu2O3材料,具有优良的物理性能和光学特性,可为陶瓷闪烁体和短波脉冲固体激光器提供选材,所以Er3+掺杂Lu2O3材料备受研究者关注。如Li T等人[6]报道了Er3+:Lu2O3晶体生长、光谱、热传导;刘禄[7]实现Er3+/Yb3+/Li+掺杂氧化锆上转换材料的颜色调制,对上转换机制进行了研究;王鹏贺等人[5]用共沉淀法及固相法制备出Er3+:Lu2O3纳米粉体及透明陶瓷,研究了不同分散剂对粉体的晶粒尺寸、分散性的影响以及980 nm激发下样品的上转换发光性质;徐赛[8]分析了Er激光介质的光谱,对Er:YAG晶体和陶瓷的输出特性展开了研究;李玮楠[9]等人研究了Er3+硅酸盐玻璃的吸收及上转换光谱性质;李艳平[10]利用水热法制备了Yb3+和Er3+共掺的纳米晶体及Yb3+、Er3+和Tm3+共掺的纳米颗粒,系统研究了合成材料的尺寸、微观结构对其发光性质的影响;徐斌[11]等人对Er3+掺杂钇稳定氧化锆的上转换发光性能进行了研究;尹玲珍[12]采用水热法制备了Yb3+、Er3+/Ho3+共掺杂的Lu2O3纳米晶,分析了其微结构及其发光性质。据文献报道,将适合的适量金属离子,如Li+, Zn2+, Mg2+掺入一些氧化物或含氧酸盐基质的发光材料中,对发光中心有敏化作用,可以较为明显地改善样品的发光效率[7, 13-16]。但是目前关于Li+, Zn2+, Mg2+掺杂对Lu2O3:Er3+粉体发光的影响鲜有报道。为提高材料的发光效率、制备出稳定性好、机械性能高、具有一定发展潜力的上转换材料,本实验用微波高温固相法制备了Li+, Zn2+, Mg2+掺杂Lu2O3:Er3+荧光材料,研究并分析了Li+, Zn2+, Mg2+掺杂对Lu2O3:Er3+合成荧光粉微观结构、紫外可见发光、荧光寿命及980 nm红外激发下的上转换发光的影响。

    • 按照表 1中所列掺杂离子及Lu2O3的化学配比,计算、称量并混合Lu2O3 (纯度99.99%)、Er2O3(99.99%)、Li2CO3(99.9%)、ZnO(纯度99.95%)、MgCO3(99.9%),充分研磨30 min,放入钢玉坩埚,在微波马弗炉(升温速度较快,样品受热均匀)中煅烧2 h(800 ℃),取出冷却至室温,获得表 1中不同浓度Li+, Zn2+, Mg2+掺杂Lu2O3:Er3+系列荧光粉。

      表 1  不同浓度(摩尔质量百分比)Li+, Zn2+, Mg2+掺杂Lu2O3:Er3+样品

      Table 1.  Lu2O3:Er3+ doped with Li+, Zn2+ and Mg2+ at different concentrations

      Sample Er3+/% Li3+/% Zn2+/% Mg2+/% Lu2O3/%
      1 1 0 0 0 99
      2 2 0 0 0 98
      3 5 0 0 0 95
      4 2 1 0 0 97
      5 2 3 0 0 95
      6 2 5 0 0 93
      7 2 8 0 0 90
      8 2 12 0 0 86
      9 2 0 5 0 93
      10 2 0 0 5 93
      11 2 5 2.5 2.5 88

      用X射线衍射仪(XRD-6100,岛津)分析样品的物相结构。使用扫描电镜(SUPRA 55VP)对合成粉体的形貌及粒度范围进行分析。用荧光光谱仪(FLS920,Edinburgh)测量样品的激发光谱、发射光谱及荧光衰减曲线和荧光寿命。用红外980 nm激光激发,测量合成样品的上转换发光效率。测量前校正了所有仪器,测量均在室温下进行。

    • 图 1给出了对应编号2、4、5、6、9、10、11样品的XRD图。将样品的X射线粉末衍射数据与Lu2O3标准卡片(PDF 43-1021)对比发现,所列样品的衍射峰位置均与标准卡片吻合。由此说明金属离子Li+、Zn2+、Mg2+和Er3+的掺杂不影响Lu2O3的立方晶相。

      图  1  Li+, Zn2+, Mg2+掺杂Lu2O3:Er3+样品的XRD图

      Figure 1.  X-ray diffraction patterns of Lu2O3:Er3+ doped with Li+, Zn2+ and Mg2+ at different concentrations

    • 图 2中(a)、(b)、(c)分别对应2号(Lu2O3:2%Er3+)、6号(Lu2O3:2%Er3+, 5%Li+)、11号(Lu2O3:2%Er3+, 5%Li+, 2.5%Zn2+, 2.5%Mg2+)合成粉体的SEM照片。比较而言,掺杂Li+的6号样品明显比未掺杂Li+的2号样品分散性好,且颗粒呈球形,其尺寸明显增加,2号样品粒径范围为20~50 nm,6号样品粒径范围为40~110 nm。当掺杂Li+、Zn2+、Mg2+后,获得的11号粉体,分散性好,呈球形,相比6号样品,颗粒大小更均匀,粒径范围为80~100 nm。以上结果表明,Li+掺杂可以有效改善粉体的分散性和形貌,Li+、Zn2+、Mg2+共掺杂获得的粉体颗粒分布更加均匀。

      图  2  样品的SEM照片

      Figure 2.  Nanocrystalline SEM photos of No.2, No.6, No.11 samples

    • 图 3(a)3(b)分别对应不同浓度Er3+掺杂Lu2O3荧光粉(1~3号样品)的激发光谱(λem=565 nm)和发射光谱(λex=379 nm)。565 nm监测下,200 nm附近是Er-O电荷迁移带,379 nm处的激发峰源于Er3+离子吸收跃迁4I15/24I11/2。这两处的吸收强度变化规律稍有不同,但2号样品(2%Er3+掺杂Lu2O3)在200 nm及379 nm处均获得最强吸收。比较379 nm激发下的1~3号样品发射光谱可见,样品均呈现出Er3+的特征发射,其中565 nm处主发射峰和553 nm附近的发射峰源于Er3+4S3/24I15/2能级跃迁,540 nm附近的发射峰对应于2H11/24I15/2的跃迁,630~700 nm对应Er3+4F9/24I15/2的跃迁[17]。随着Er3+离子掺杂浓度从1%增加到5%的过程中,样品发光呈现先增强后减弱的趋势,Er3+掺杂浓度为2%时,样品发光最强。

      图  3  Lu2O3:Er3+的激发光谱(a)及发射光谱(b)

      Figure 3.  Excitation(a) and emission spectra(b) of Lu2O3:Er3+ sample

      图 4(a)4(b)分别给出了不同浓度Li+和2%Er3+共掺Lu2O3(对应4~8号样品)的激发光谱和发射光谱。可见随着Li+浓度增加,样品在379 nm处的激发光谱和565 nm处的发射光谱规律相同,都是先增强后减弱,且掺杂了Li+的样品,均比单掺2%Er3+的2号样品发光增强,其中5%的Li+和2%的Er3+掺杂Lu2O3对应的6号样品发光最强,比单掺Er3+样品发光增强4.5倍。这说明,适量浓度的Li+掺入纳米发光材料,一方面可作为助熔剂促进结晶,降低纳米晶粒表面态导致的发光猝灭[18],这与扫描电镜结果一致。掺杂Li+,Zn2+,Mg2+,可使粉体颗粒增加,分散性更好,结晶性能更好,发光则更强。另一方面,Li+掺入能够提高晶格中的氧空位浓度,使晶体场对称性降低,促进能量转移,且半径较小的Li+作为电荷补偿剂和敏化剂,可促进发光中心辐射跃迁几率[16, 19]。此外,据文献[20]报道,适量的Li+、K+掺杂Y2O3:Eu3+样品中,样品的量子效率有所提高,发光中心对能量吸收增强。但金属离子掺杂过量会导能量吸收减弱,发光减弱,所以随Li+浓度增加,样品发光强度先增强后减弱。

      图  4  不同浓度Li+和Er3+共掺Lu2O3的激发光谱(a)和发射光谱(b)

      Figure 4.  Excitation(a) and emission spectra(b) of Lu2O3 samples co-doped with Li+ and Er3+

      图 5(a)5(b)分别对应2、6、9、10、11样品的激发光谱(λem=565 nm)和发射光谱(λex=379 nm)。565 nm监测下样品的激发光谱形状基本类似,吸收强度则不同,从强到弱排序依次为:11>6>9>2>10;另外,9号样品激发光谱在350~400 nm之间有较宽的激发带,11号样品在350~380之间有较宽激发带,这是Zn2+的带边吸收和高激发态吸收所引起的[21]

      图  5  Li+, Zn2+, Mg2+和Er3+共掺Lu2O3的激发光谱(a)和发射光谱(b)

      Figure 5.  Excitation(a) and emission spectra(b) of Li+, Zn2+, Mg2+co-doped Lu2O3:Er3+ samples

      379 nm激发不同样品,在565 nm处的发射强度变化和激发光谱的变化规律相同,样品发光从强到弱排序依次为:11>6>9>2>10。影响材料发光效率的因素较多,首先,金属离子共掺杂,使晶体结构更加无序,非对称性增加,会使样品发光增强;其次,掺杂离子浓度过高会引起发光猝灭导致发光减弱;另外,掺杂金属离子的价态及离子半径对样品的发光也有影响。由于Li+(0.076 nm),Zn2+(0.074 nm),Mg2+(0.072 nm)的半径比Lu3+(0.086 nm)和Er3+(0.089 nm)的半径小,它们进入晶格时,处于填隙或取代Lu3+,将引起晶格畸变,使晶格能量有不同程度的增加。为使晶格能降到最低,Er3+要尽可能均匀有序地分布于超格子中,以降低近邻离子的相互作用,从而提高粉体的发光强度[22]。半径较小的掺杂离子易进入基质晶格,同时会减弱发光中心之间的交叉驰豫及相互作用。此外,Li+,Zn2+,Mg2+与Er3+存在电荷差异,Li+,Zn2+,Mg2+进入晶格时,由于电荷补偿作用,使得更多的Er3+进入晶格,从而促进发光。为保持电荷平衡,将Li+,Zn2+,Mg2+掺入晶格,这会产生氧空位,而适量的氧空位可作为能量转移的敏化剂[23],有效促进基质对能量的吸收转移,使得样品发光增强,但氧空位过量时,非辐射跃迁概率增加,则会引起发光猝灭[19]

      据文献报道,Li+和Zn2+还可作为敏化剂促进能量转移提高发光效率[13]。本实验中,Li+主要起到电荷补偿和敏化Er3+发光的作用[24]。此外,掺入的Li+易于和样品表面氧悬键结合,减小表面缺陷[16],使样品发光增强。但是,当掺杂离子浓度过高时,表面缺陷增多,离子间交叉弛豫几率增大,无辐射弛豫中心数目会增加,发光则减弱[24]。与Er3+单掺样品相比,5%Zn2+与2%Er3+共掺样品发光增强。依据实验结果,图 4(a)中掺杂了Zn2+的9号样品,在350~385 nm出现了Zn2+的较强带边吸收,比Er3+的379 nm处的吸收还要强,所以叠加后只显出Zn2+的宽带吸收。在图 4(b)中掺杂了Zn2+的9号样品,除了Zn2+在520~580 nm处出现宽带发射外,还出现Er3+的565 nm特征发光。掺杂了2.5%Zn2+的11号样品,在565 nm处发光明显比未掺杂Zn2+的样品增强,且没有出现明显的Zn2+的发射峰。这说明此时掺入的Zn2+将激发能传递给了Er3+,增强了Er3+的发光。5%Mg2+与2%Er3+共掺样品发光减弱,这可能与过高浓度的Mg2+掺杂导致荧光猝灭有关。379 nm激发所有样品,5%Li+、2.5%Zn2+、2.5%Mg2+、2%Er3+共掺Lu2O3样品发光最强,它比2%Er3+单掺Lu2O3样品发光增强了5.3倍。这与低价态离子掺杂产生的电荷补偿作用,Li+的助熔及敏化作用,Zn2+的能量传递及合适浓度的Li+、Zn2+、Mg2+掺杂等多种因素都有关。

    • 图 6给出了红外激光980 nm激发下800 ℃煅烧2 h获得2号、6号、11号荧光粉的发射光谱。实验结果表明,980 nm激发下所有样品均出现565 nm绿光发射和662 nm红光发射,且明显比379 nm激发下的发光要强。980 nm激发下,5%Li+掺杂Lu2O3:2%Er3+样品及5%Li+,2.5%Zn2+,2.5%Mg2+掺杂Lu2O3:2%Er3+样品分别比Lu2O3:2%Er3+样品在565 nm处发光增强23倍与39倍,在662 nm处的发光增强20倍与43倍。由实验结果可见,合适浓度的Li+,Zn2+,Mg2+掺杂,可使Er3+上转换发光明显增强。据文献[25]报道,Li+半径较小,通过电荷相互作用改变Er3+的局域晶场的对称性,促进Er3+的4f电子跃迁,从而增强上转换发光。本实验中,Mg2+、Zn2+、Li+半径均比Lu3+和Er3+小,易进入晶格,改变晶场的对称性,促进Er3+的上转换发光。低价态离子Li+、Zn2+、Mg2+掺杂引起的电荷补偿也可促进Er3+的发光,Zn2+的能量传递及合适浓度的Li+、Zn2+、Mg2+掺杂,也是导致Er3+发光增强的原因。

      图  6  980 nm激发下Li+, Zn2+, Mg2+, Er3+共掺Lu2O3的荧光粉的发射谱

      Figure 6.  Up-conversion emission spectra of Li+, Zn2+, Mg2+doped Lu2O3:Er3+ samples

    • 图 7是在379 nm激发下2号及4~11号样品的能级衰减曲线,经双指数曲线函数[26-27]拟合:

      (1)

      图  7  379 nm激发下Li+、Zn2+、Mg2+和Er3+共掺Lu2O3的荧光衰减曲线

      Figure 7.  Fluorescence decay curves of Li+, Zn2+, Mg2+ doped Lu2O3:Er3+ samples(λex=379 nm)

      式中,τ1τ2I分别是辐射跃迁寿命、无辐射弛豫寿命及发光强度。A1A2是常数,t是时间,能级寿命τ:

      (2)

      计算获得λex=379 nm激发下2号及4~11号样品Er3+4S3/2能级寿命如表 2所示。

      表 2  Li+, Zn2+, Mg2+掺杂Lu2O3 :Er3+样品的寿命

      Table 2.  Lifetime of Li+, Zn2+, Mg2+ doped Lu2O3:Er3+ samples

      λex/nm Energy level Sample 2 4 5 6 7
      lifetime/μs 51.366 9 55.281 9 61.408 5 63.623 1 61.908 8
      379 4S3/24I15/2 Sample 8 9 10 11
      lifetime/μs 61.289 5 44.300 7 42.958 8 61.672 5

      实验结果表明,只要掺杂了Li+的样品均比单掺Er3+的样品寿命长。这是由于掺杂的Li+作为敏化剂,将吸收的能量传递给发光中心Er3+,从而延长了Er3+的能级寿命。Zn2+,Er3+共掺样品及Mg2+,Er3+共掺样品比单掺Er3+的样品荧光寿命均缩短。据文献[13-14]报道,适量浓度、半径较小的Zn2+,Mg2+掺入晶格,能够提高晶格中的氧空位浓度,使晶体场对称性降低,促进能量转移,提高发光中心辐射跃迁几率,导致寿命缩短。

      通常情况下,引入合适金属离子,可填补颗粒表面的氧悬键缺陷,阻塞无辐射弛豫通道,使荧光寿命增加;样品表面态缺陷增加时,无辐射弛豫速率增大,寿命变短;当用不同价态金属离子共掺杂时,可产生多余的正或负电性缺陷,致使无辐射弛豫中心数目增加,寿命减小;当共掺杂离子有敏化作用或对发光中心有能量传递,也会影响样品的荧光寿命。本实验中,5%Li+、2.5%Zn2+、2.5%Mg2+和2%Er3+共掺比单掺Er3+的样品荧光寿命有所增加,这和掺杂离子及价态、离子掺杂浓度、产生的缺陷、助熔性质、敏化作用及能量传递综合作用有关。不同浓度Li+,Zn2+,Mg2+共掺杂 对Lu2O3:Er3+样品上转换发光及能级寿命的影响,还有待于进一步实验和研究。

    • 用微波高温固相法合成了Li+,Zn2+,Mg2+ 掺杂Lu2O3 :Er3+荧光粉。实验结果表明,金属离子Li+,Zn2+,Mg2+ 和Er3+掺入Lu2O3,不影响Lu2O3的立方晶相。SEM测量表明,Li+掺杂可以有效改善粉体的分散性和形貌,Li+,Zn2+,Mg2+共掺杂获得的粉体颗粒分布更加均匀。

      379 nm激发下,565 nm处发光强度比较结果显示,Er3+单掺浓度为2%时,样品发光最强;Li+与2%Er3+共掺的样品中,当Li+掺杂浓度为5%时,样品发光最强,比不掺Li+的样品发光增强4.5倍;5%Zn2+与2%Er3+共掺的样品比不掺Zn2+的样品发光增强约1.2倍;5%Mg2+与2%Er3+共掺的样品比不掺Mg2+样品发光有所减弱。所有合成样品中,5%Li+,2.5%Zn2+,2.5%Mg2+与2%Er3+共掺的样品发光最强,比2%Er3+单掺的样品发光增强5.3倍。

      980 nm红外激光激发下,5%Li+与2%Er3+共掺样品,5%Li+,2.5%Zn2+,2.5%Mg2+与2%Er3+共掺样品分别比单掺Er3+样品在565 nm处发光增强23倍与39倍,在662 nm处的发光分别增强20倍与43倍。

      在397 nm激发下,所有合成样品的荧光寿命均介于40~64 μs之间,掺杂了Li+的样品比不掺Li+的样品寿命有不同程度的增加;Li+,Zn2+,Mg2+ 和Er3+共掺样品的荧光寿命也有所增加;Zn2+和Er3+掺杂样品,Mg2+和Er3+掺杂样品的荧光寿命均减小。这和掺杂离子的价态、离子半径、电荷补偿、产生缺陷的浓度、助熔、敏化作用及能量传递均有关。

参考文献 (27)

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