王昭文,董 泉,楊鳳麗
(江西理工大學(xué) 冶金與化學(xué)工程學(xué)院,江西 贛州 341000)
上轉(zhuǎn)換是一種典型的反斯托克斯位移過程,可以將兩個或多個低能量的光子轉(zhuǎn)化為單一的高能量的光子[1-2]。近些年來,由于上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料可以將近紅外光轉(zhuǎn)化為可見光甚至是近紫外光而備受關(guān)注。上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料可以廣泛應(yīng)用于固態(tài)激光器、三維立體顯示、太陽能電池、生物標記、光學(xué)溫度傳感等領(lǐng)域[3-4]。稀土離子的豐富能級結(jié)構(gòu)使其具有獨特的光學(xué)性能而常作為上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的發(fā)光中心,其中常見的上轉(zhuǎn)換激活離子有Er3+、Ho3+、Tm3+。但是,單一稀土激活離子摻雜的上轉(zhuǎn)換材料的發(fā)光效率很低。Yb3+在980 nm附近有較大的吸收截面,而且 Yb3+的能級和 Er3+、Ho3+、Tm3+的能級可以實現(xiàn)有效的共振能量傳遞。因此,為解決單一稀土離子摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料發(fā)光效率低的問題,常添加Yb3+作為敏化劑,從而增強上轉(zhuǎn)換發(fā)光[5-6]。
雖然添加敏化劑大大增加了上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的發(fā)光強度,但是其發(fā)光強度仍然很低,還不能滿足上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的實際應(yīng)用。為了解決上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率低的問題,廣大科研工作者提出了很多解決辦法,比如選擇合適的宿主基質(zhì)、摻雜貴金屬降低基質(zhì)的聲子能量、構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)。Soukkaa¨t[7-8]等人研究了Er3+/Yb3+摻雜在不同基質(zhì)中的發(fā)光性能。結(jié)果表明不同的基質(zhì)對上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能存在很大的影響。不同的基質(zhì)在配位數(shù)、聲子能量、物理與化學(xué)穩(wěn)定性等方面都存在巨大的差異,而這些差異將直接影響發(fā)光材料的發(fā)光性能。具有較低聲子能量的基質(zhì)有助于降低無輻射躍遷過程造成的能量損失,從而增強上轉(zhuǎn)換發(fā)光。Scha¨fer等[9]人研究了 KYF4∶Yb3+/Er3+@KYF4納米晶體的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能。研究發(fā)現(xiàn)構(gòu)建起KYF4外殼層后,上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率提高了約20倍。Chen等[10]首次研究了Li+摻雜對Y2O3∶Yb3+/Er3+納米晶體上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能的影響,他們發(fā)現(xiàn)隨著Li+的摻雜,納米晶體的綠光以及紅光發(fā)射都得到極大的增強。通常來說,稀土離子的f-f躍遷是禁戒的,而激活離子周圍的局域晶體場的對稱性就越低,4f能級間的禁戒躍遷解除的就越徹底,輻射躍遷的可能性增加,發(fā)光強度也隨之增強。通過堿土金屬的摻雜可以有效降低局域晶體場的對稱性,從而增強上轉(zhuǎn)換發(fā)光[11]。NaY(MoO4)2屬于 CaWO4型四方晶系結(jié)構(gòu),與氟化物相比具有較好的物理與化學(xué)穩(wěn)定性。此外NaY(MoO4)2有較低的聲子能量,可以有效減緩無輻射躍遷過程,是一種理想的基質(zhì)材料。為了增強NaY(MoO4)2∶Yb3+,Ho3+的上轉(zhuǎn)換發(fā)光,研究嘗試摻雜 Zn2+去裁剪Ho3+周圍的局域晶體場,從而降低對稱性,增強上轉(zhuǎn)換發(fā)光。
本文主要研究了 Zn2+摻雜對 NaY(MoO4)2∶Yb3+,Ho3+熒光粉上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能的影響。為了更加準確的研究Zn2+摻雜對上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能的影響,將Yb3+,Ho3+摻雜濃度分別固定為0.2,0.02。通過研究Zn2+摻雜對樣品的結(jié)構(gòu)、形貌和上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能的影響,確定Zn2+的摻雜增強上轉(zhuǎn)換發(fā)光的作用機理。同時基于泵浦依賴的研究,詳細分析了上轉(zhuǎn)換發(fā)光機理。
以 Na2CO3(99.9%)、Y2O3(99.99%)、Ho2O3(99.99%)、Yb2O3(99.99%)、(NH4)6Mo7O24·4H2O(99.9%)、Zn粉(99.99%)作為原料,按一定的化學(xué)計量比進行準確稱量,然后在瑪瑙研缽中以少量無水乙醇為研磨劑研磨20 min,隨后在干燥箱中以80℃烘干8 h,再繼續(xù)研磨10 min。將混合均勻的粉末轉(zhuǎn)移到剛玉坩堝中,在馬弗爐中以850℃燒結(jié)6 h,燒結(jié)結(jié)束后自然冷卻至室溫,所得粉末再次研磨,即得最終樣品。
XRD物相表征采用荷蘭PANalytical公司EPANalytical X'Pert Pro型X射線粉末衍射儀進行,所用陰極金屬為Cu靶,X射線波長為0.154 187 nm,掃描范圍為10°~90°,工作電壓為40 kV,電流為30 mA;顆粒樣品形貌采用日立公司的臺式掃描電鏡(HitachiTM-3030)進行觀測,放大倍數(shù)均為5000倍;熒光粉顆粒的粒徑分布采用德國馬爾文公司的Mastersizer3000激光粒度儀;上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜采用法國HORIBA Jobin Yvon公司的FluoroLog-3熒光光譜儀進行測定,激光光源為外接的功率可調(diào)的980 nm紅外激光器,監(jiān)控的發(fā)射波長為500~800nm。以上所有表征均在室溫下進行。
圖1 850℃燒結(jié)下不同Zn2+摻雜濃度的NaY0.78-(xMoO)42:0.2Yb3+,0.02Ho3+,xZn2(+x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25)樣品的XRD譜圖(a)和 在28.5°~29.5°放大的衍射峰的XRD譜圖(b)Fig.1 (a)XRD patterns of NaY0.78-(xMoO4)2∶0.2Yb3+,0.02Ho3+,xZn2(+x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25)samples sintered at 850℃by co-doping with Zn2+(;b)Magnified XRD patterns of peak in the region between 28.5°to 29.5°
圖1為850℃燒結(jié)下不同Zn2+摻雜濃度(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25)的NaY0.78-x(MoO4)2∶0.2Yb3+,0.02Ho3+,xZn2+熒光粉的XRD譜圖。如圖1所示,這些樣品的所有衍射峰和標準卡片(JCPDS No.01-082-2369)均相吻合,并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的雜峰,表明少量Zn2+的摻雜并沒有明顯改變NaY(MoO4)2的晶體結(jié)構(gòu)。此外,可以發(fā)現(xiàn)隨著Zn2+摻雜濃度的增加,衍射峰的強度呈現(xiàn)先增強后減弱的趨勢。圖1(b)為樣品在最強衍射峰的局部放大圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn),隨著Zn2+的摻雜濃度由0增加到0.15時,最強衍射峰的位置往高角度發(fā)生了偏移。眾所周知,低的衍射峰角度對應(yīng)著大的晶格常數(shù),反之,高的衍射峰角度對應(yīng)小的晶格常數(shù)。Zn2+的有效離子半徑為0.088 nm,相比于Mo6+(0.059 nm),和Y3+(0.090 nm)更接近。此外,Zn2+化合價為+2價,和Y3+的化合價更接近。所以Zn2+更容易通過替換Y3+的格位進入基質(zhì)晶格中。隨著Zn2+摻雜濃度的不斷增加,由于小離子半徑的Zn2+替代大離子半徑的Y3+,根據(jù)布拉格方程2dsinθ=nλ,最強衍射峰的位置則往高角度發(fā)生偏移[12]。這一現(xiàn)象表明Zn2+已經(jīng)通過替代Y3+格位的方式成功進入到基質(zhì)晶格中。隨著Zn2+摻雜濃度超過0.15時,由于Zn2+替代Y3+已經(jīng)達到飽和,此時多余的Zn2+將通過占據(jù)晶格間隙的方式進入晶格[13]。這將引起晶格的擴張,從而使得衍射峰往低角度發(fā)生偏移。采用非線性最小二乘法,計算了 NaY0.78-x(MoO4)2∶0.2Yb3+,0.02Ho3+,xZn2+系列樣品的晶胞體積,如圖2所示。隨著Zn2+摻雜濃度從0增加至0.15,樣品的晶胞體積由 306.16 ×10-3nm3減小至 305.97 ×10-3nm3;Zn2+摻雜濃度繼續(xù)增加時,樣品的晶胞體積卻逐漸增大,當摻雜0.25時,晶胞體積增加至306.09×10-3nm3。這一現(xiàn)象進一步證實了Zn2+可以通過替換Y3+格位和占據(jù)晶格間隙的方式進入基質(zhì)晶格。
圖2 NaY0.78-(xMoO4)2:0.2Yb3+,0.02Ho3+,xZn2+(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25)樣品的晶胞體積Fig.2 The cell volume of NaY0.78-(xMoO)42∶0.2Yb3+,0.02Ho3+,xZn2+(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25)samples
圖3為在850℃燒結(jié)的NaY0.78-x(MoO4)2∶0.2Yb3+,0.02Ho3+,xZn2+(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25)系列樣品的掃描電鏡圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)Zn2+的摻雜對樣品的形貌產(chǎn)生了明顯的影響。未摻雜Zn2+的樣品形貌的分散性較差,粒徑不均勻,甚至出現(xiàn)了輕微的團聚。隨著Zn2+摻雜濃度的不斷增加,樣品的顆粒尺寸不斷增大,分散性越來越好,而且團聚現(xiàn)象逐漸消失,表明樣品的結(jié)晶性不斷增強。當Zn2+摻雜濃度達到0.15時,樣品的形貌達到最好。但是隨著Zn2+摻雜濃度的繼續(xù)增加,晶體結(jié)晶性又開始變差??偟膩碚f,樣品的結(jié)晶性先增強后減弱,這和圖1中XRD衍射峰隨Zn2+摻雜的變化趨勢相一致。隨后采用激光粒度儀對NaY0.78-x(MoO4)2∶0.2Yb3+,0.02Ho3+,0.15Zn2+顆粒的粒徑進行了測試。如圖4所示,樣品的粒度分布基本符合正態(tài)分布,粒徑大小分布均勻。在該樣品中D(50)=3.62 μm,因此可以認為該樣品的平均粒徑為3.62 μm,這一結(jié)果和圖3(d)中掃描電鏡圖中所顯示的粒徑大小相接近。
圖4 NaY0.6(3MoO4)2:0.2Yb3+,0.02Ho3+,0.15Zn2+樣品的粒徑分布圖Fig.4 The particle size distribution of NaY0.6(3MoO4)2∶0.2Yb3+,0.02Ho3+,0.15Zn2+sample
圖3 在850℃燒結(jié)下NaY0.78-(xMoO4)2:0.2Yb3+,0.02Ho3+,xZn2+樣品的掃描電鏡圖Fig.3 SEM images of NaY0.78-(xMoO4)2∶0.2Yb3+,0.02Ho3+,xZn2+sintered at 850℃
圖5給出的是NaY0.78-x(MoO4)2∶0.2Yb3+,0.02Ho3+,xZn2+(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25)系列樣品在980 nm激光器激發(fā)下的上轉(zhuǎn)換發(fā)光譜圖。從圖5(a)中可以看到,樣品在980 nm激光激發(fā)下呈現(xiàn)出兩個Ho3+的發(fā)射帶,其中較強的綠光發(fā)射中心位于551 nm,相對較弱的紅光發(fā)射峰位于668 nm,分別對應(yīng)著Ho3+的5F4,5S2→5I8和5F5→5I8能級躍遷。此外可以發(fā)現(xiàn),Zn2+的摻雜并沒有引起光譜的譜形發(fā)生變化,但是強度發(fā)生了明顯的變化。相比于沒有摻雜Zn2+的樣品,摻雜了Zn2+的樣品發(fā)光強度顯著增強。如圖5(b)所示,隨著Zn2+的摻雜濃度持續(xù)增加,綠光和紅光的發(fā)光強度逐漸增加,當Zn2+的摻雜量為0.15時,上轉(zhuǎn)換發(fā)光強度達到最強。然而隨著Zn2+的繼續(xù)摻雜,發(fā)光強度開始不斷減弱。對每個樣品的光譜中的綠光(525~580 nm)和紅光(635~680 nm)發(fā)射帶進行面積積分。從積分結(jié)果中觀察發(fā)現(xiàn)和沒有Zn2+摻雜的樣品相比,Zn2+摻雜量為x=0.15的樣品綠光和紅光譜帶面積積分值分別增大了6.68和6.03倍,即綠光和紅光發(fā)射增強了6.68和6.03倍。稀土離子的f-f躍遷是宇稱禁戒躍遷,容易受到晶體場對稱性的影響[14]。根據(jù)Judd-Ofelt理論,當稀土離子周圍的晶體場的對稱性越低,其譜線強度Ω2就越大,4f禁戒躍遷解除的就越徹底,輻射躍遷的可能性就大大增加,因此上轉(zhuǎn)換發(fā)光大大增強[15]。如上所述,Zn2+可以通過替代Y3+的格位和占據(jù)晶格間隙的方式進入基質(zhì)晶格中。當少量Zn2+摻雜時,Zn2+通過替換Y3+的方式進入晶格中,這一過程可以起到裁剪發(fā)光中心Ho3+周圍的局域晶體場環(huán)境的作用,降低了晶格對稱性,從而增強上轉(zhuǎn)換發(fā)光。此外,Zn2+替代Y3+是一種不等價替換,此過程伴隨著O2-空位的出現(xiàn)。而O2-空位和稀土離子之間可以進行電荷轉(zhuǎn)移,因此對于稀土離子而言,O2-空位可以看作是增強上轉(zhuǎn)換能量傳遞的敏化劑[16]。當Zn2+過度摻雜時,Zn2+將進入晶格間隙,導(dǎo)致Ho3+被更多的Zn2+包圍著。在Zn2+摻雜濃度小于0.15時,伴隨著Zn2+摻雜濃度的增加,O2-空位增多,發(fā)光強度增強;當Zn2+摻雜濃度超過0.15時,Zn2+進入晶格間隙引起的晶格畸變和之前產(chǎn)生的Ho-O鍵扭曲共同作用使Ho3+周圍的晶體場又趨于對稱,而對稱的晶體場環(huán)境不利于上轉(zhuǎn)換發(fā)光,所以發(fā)光強度又隨過量的Zn2+摻雜而減弱[16]。
圖5850℃燒結(jié)NaY0.78(-xMoO)42∶0.2Yb3+,0.02Ho3+,xZn2+(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25)樣品上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜圖(a)及系列樣品的綠光和紅光發(fā)射與Zn2+摻雜濃度之間的強度關(guān)系(b)Fig.5The upconversion luminescence spectra of NaY0.78-(xMoO4)2∶0.2Yb3+,0.02Ho3+,xZn2+(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25)samples sintered at 850℃(a)and the green and red emission intensities as a function of the concentration of Zn2(+b)
在未飽和情況下,上轉(zhuǎn)換發(fā)光強度I和激光功率P存在如下關(guān)系:I∝Pn。其中n代表j激發(fā)到對應(yīng)激發(fā)態(tài)所需的光子數(shù)[18]。對上轉(zhuǎn)換發(fā)光強度I和激發(fā)功率P分別取對數(shù),進行線性擬合所得斜率n即為所需光子數(shù)。圖6表示的是NaY0.63(MoO4)2∶0.2Yb3+,0.02Ho3+,0.15Zn2+樣品的綠光和紅光的發(fā)光強度與激發(fā)功率的依賴關(guān)系圖。如圖6所示,綠光發(fā)射(5F4,5S2→5I8)和紅光發(fā)射(5F5→5I8)的線性擬合斜率分別為1.82和1.76。通常對于n介于1到2之間的上轉(zhuǎn)換過程稱為雙光子吸收過程,因此該體系中Ho3+的綠光和紅光發(fā)射均屬于雙光子過程。但是擬合所得n值均小于實際所需光子數(shù)2,這是因為上轉(zhuǎn)換能量傳遞過程中各中間激發(fā)態(tài)存在相互競爭,此外能量傳遞過程中存在能量損失[18-20]。
圖6 NaY0.6(3MoO4)2∶0.2Yb3+,0.02Ho3+,0.15Zn2+樣品在980 nm激光激發(fā)下的綠光和紅光上轉(zhuǎn)換發(fā)射強度與泵浦功率的依賴關(guān)系Fig.6 Pump-power dependence of the green and red upconversion emission intensities of NaY0.6(3MoO4)2∶0.2Yb3+,0.02Ho3+,0.15Zn2+sample
基于泵浦依賴,圖7給出的Yb3+和Ho3+的能級圖。如圖7所示,在980 nm激光激發(fā)下,位于Yb3+基態(tài)的電子首先吸收980 nm的光子躍遷至2F5/2能級,隨后通過能量傳遞上轉(zhuǎn)換的方式將能量傳遞給鄰近位于Ho3+基態(tài)的電子,使其躍遷至5I6能級,而本身則回到基態(tài)2F7/2能級。位于5I6能級的電子將吸收鄰近的另一個Yb3+的能量躍遷至5F4,5S2能級。其中一小部分位于5F4,5S2能級的電子將通過無輻射馳豫(NR)的方式馳豫到5F5能級,剩余在5F4,5S2能級的電子將輻射躍遷至基態(tài)5I8能級,在此過程中伴隨著強烈的綠光發(fā)射(551 nm)。位于5F5能級的電子輻射躍遷至5I8能級,從而實現(xiàn)紅光發(fā)射(668nm)。對于5F5能級的粒子數(shù)布居,還存在著另外一條途徑。由于5I7能級的固有壽命要大于5I6能級的壽命,因此5I6能級的電子很容易無輻射馳豫至5I7能級。位于5I7能級的電子進一步吸收位于Yb3+的2F5/2能級上電子的能量直接躍遷至5F5能級。Ho3+不同激發(fā)態(tài)能級上粒子數(shù)布居除了從Yb3+中吸收能量外,還有另外一條激發(fā)路徑。位于Ho3+基態(tài)的電子可以通過基態(tài)吸收的方式(GSA)直接吸收980 nm的近紅外光子躍遷至5I6能級,隨后通過激發(fā)態(tài)吸收(ESA)吸收另一個980 nm的近紅外的光子實現(xiàn)5F4,5S2能級上的粒子數(shù)布居,從而實現(xiàn)綠光發(fā)射。同樣的位于5I7能級的電子可以通過ESA過程吸收980 nm的近紅外光子躍遷至5F5能級,從而實現(xiàn)紅光發(fā)射。但是和Yb3+與Ho3+之間能量傳遞效率相比,激發(fā)態(tài)吸收過程的能量傳遞效率要低很多。根據(jù)上述的能量傳遞機理的討論可知,不管是通過Yb3+與Ho3+之間的能量傳遞或激發(fā)態(tài)吸收的方式實現(xiàn)激發(fā)態(tài)能級上的粒子數(shù)布居,綠光和紅光發(fā)射都是雙光子吸收過程,這和上述泵浦依賴的結(jié)果相一致。
圖7 Yb3+和Ho3+的能級圖及可能的上轉(zhuǎn)換發(fā)光機理Fig.7 Energy level diagram of Yb3+and Ho3+as well as possible upconversion luminescence mechanism
(1)隨著Zn2+的摻雜,熒光粉NaY0.78-x(MoO4)2∶0.2Yb3+,0.02Ho3+,xZn2+(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25)上轉(zhuǎn)換發(fā)光呈現(xiàn)出先增強后減弱的趨勢,當Zn2+摻雜量為0.15時,熒光粉實現(xiàn)了最強的上轉(zhuǎn)換發(fā)光,綠光和紅光發(fā)射都是雙光子吸收過程。
(2)少量 Zn2+摻雜時,Zn2+通過替換 Y3+的方式進入基質(zhì)晶格,Zn2+的替代會裁剪發(fā)光中心Ho3+周圍的局域晶體場,降低晶體場的對稱性,從而增強了上轉(zhuǎn)換發(fā)光。
(3)過量的Zn2+摻雜時,過剩的Zn2+將占據(jù)Ho3+,Yb3+,Y3+周圍的晶格間隙位置,此時 Ho3+周圍的晶體場又將趨于對稱,從而上轉(zhuǎn)換發(fā)光又將減弱。
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