NaY(Gd)F4:Yb3+/Er3+薄膜的电沉积制备及其上转换发光性能

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近些年来,可将近红外激发光(NIR)转化为可见光(VIS)的上转换发光材料在3D显示器、生物成像、固态激光器和光伏电池等领域表现出极大的应用价值,引发研究热潮。在所有的上转换发光材料中,氟化物体系NaLnF4由于自身声子能量低,是目前公认发光效率最高的基质材料,适用于绝大多数稀土离子。氟化物的晶相结构对其发光效率有较大影响,在相同的发光离子掺杂浓度下,六方相(β-)NaYF4∶Yb3+,Er3+的上转化发光强度比相应的立方相(α-)NaYF4∶Yb3+/Er3+高出一个数量级,因此如何可控制备高纯的六方相NaY(Gd) F4是提高上转化发光性能的关键。另外,薄膜化是材料器件化应用的核心,因此发展简单、便宜且易放大化的方法来制备高质量的上转化材料薄膜具有重要的应用价值。  电沉积是一种由电场调控的液相化学沉积方法,具有以下特点:(1)制备通常在室温或稍高于室温的条件下进行,因而能有效控制界面结构;(2)薄膜的厚度及生长速度可由电压、电流等电化学条件来调控;(3)溶液条件可调节电沉积薄膜的形貌、取向、价态等。本论文发展了阳极氧化电沉积法在较低温度下制备出六方相NaLnF4∶Yb3+/Er3+(Ln3+=Y3+,Gd3+)发光薄膜,研究了电沉积过程中溶液条件对于NaYF4薄膜组成和晶相的影响,对其上转换发光性能进行了研究,并深入探讨了Yb3+/Er3+体系的上转换发光机理。  本论文研究分为两个部分:  (1)电沉积制备六方相β-NaGdF4∶Yb3+/Er3+薄膜及其上转化发光性能。发展阳极氧化法制备出六方相β-NaGdF4∶Yb3+/Er3+薄膜,采用XRD、SEM、XPS、FL、IR等方法对薄膜结构、组成和发光性能进行了表征。电沉积所得薄膜在300℃下退火2h后,上转换发光性能得到了大幅提升,这可能是由于退火除去了薄膜表面或内部吸附的水分或乙二胺四乙酸等杂质,且提高了薄膜样品的结晶度。当退火温度提高到500℃,六方相β-NaGdF4∶Yb3+/Er3+发生相变转变为立方相(α-)NaGdF4∶Yb3+/Er3+。对比研究了两种晶相的上转换发光性能,实验表明:在相同的掺杂浓度下,六方相(β-) NaGdF4∶ Yb(20%),Er(1%)体系发射的绿光(639nm)强度是对应立方相(α-)NaGdF4∶Yb(20%),Er(1%)的645.6倍,所发射的红光(654nm)强度是对应立方相的103.01倍。  (2)溶液条件对电沉积制备的NaYF4∶Yb3+/Er3+薄膜晶相结构及发光性能的影响。本章利用阳极氧化法在Ln3+-EDTA-NaF-抗坏血酸溶液体系中制备了六方相NaYF4∶Yb3+/Er3+薄膜。研究了制备溶液中NaF浓度、电沉积温度对电沉积制备的NaYF4薄膜结构和晶相的影响。  研究发现:(1)适当提高NaF浓度有利于立方相(α-)NaYF4晶相的纯化,过量的NaF有利于六方相(β-)NaYF4的生成;(2)提高电沉积温度能够加快电沉积速率,从而有利于立方相向六方相的转变。研究了退火过程、激活剂及敏化剂掺杂浓度对于上转换发光性能的影响,研究发现:(1)退火后的薄膜样品在上转换发光性能方面得到大幅提升;(2)随着激活剂浓度的提高(1%-3%),上转换发光强度由于发生浓度猝灭而逐渐降低;(3)增加单位晶格内Yb3+的含量会提高红光发射峰的相对强度。最后,我们初步探讨了掺杂Yb/Er体系的上转换发光机理,在980nm激光激发下,β-NaYF4∶Yb3+/Er3+的上转换发光是一个非线性双光子吸收过程。
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