稀土離子摻雜玻璃的制備與發(fā)光性能分析

劉寧

摘要：稀土離子摻雜玻璃是良好的發(fā)光基質(zhì)材料，廣泛的應(yīng)用于激光、光學(xué)放大器、光通訊等多方面。本文通過對(duì)稀土離子摻雜高硅氧玻璃的制備與發(fā)光性能進(jìn)行分析，旨在提出稀土離子摻雜高硅氧玻璃的制備工藝，充分挖掘稀土離子摻雜高硅氧玻璃的發(fā)光性能，為稀土離子摻雜高硅氧玻璃的應(yīng)用提供理論依據(jù)與實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：稀土離子；高硅氧玻璃；制備；發(fā)光性能

中圖分類號(hào)： ：TQ171.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）02（c）-0000-00

稀土離子摻雜高硅氧玻璃的發(fā)光強(qiáng)度由其制備工藝參數(shù)決定，若能優(yōu)化稀土離子摻雜高硅氧玻璃的制備工藝和技術(shù)，進(jìn)一步提高稀土離子摻雜高硅氧玻璃發(fā)光強(qiáng)度，就能為探索一條全新的高穩(wěn)定性、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的稀土離子摻雜高硅氧玻璃制備的新途徑奠定基礎(chǔ)。

一、稀土元素和稀土發(fā)光材料

稀土元素是元素周期表中17種元素的總稱，包括原子序數(shù)為21的鈧（Sc）、39的釔（Y）和57到71的鑭系元素。

稀土離子摻雜高硅氧玻璃是良好的發(fā)光基質(zhì)材料，通過在稀土離子摻雜中摻雜高硅氧玻璃可以在一定波長(zhǎng)激發(fā)下使高硅氧玻璃材料用某種方式吸收外界能量，讓電子從基態(tài)被激發(fā)躍遷到激發(fā)態(tài)。

二、稀土離子摻雜高硅氧玻璃的制備工藝

稀土離子摻雜高硅氧玻璃制備工藝主要包括高硅氧玻璃制備、稀土離子摻雜和高硅氧玻璃燒結(jié)三個(gè)步驟。

（1）高硅氧玻璃制備：高硅氧玻璃制備主要是在一定溫度下將鈉硼硅酸鹽基體高硅氧玻璃保溫一段時(shí)間，并進(jìn)行分相。通過分相將原本結(jié)構(gòu)均勻的高硅氧玻璃轉(zhuǎn)化為鈉硼相和硅相。將分相后的高硅氧玻璃浸泡在稀酸中，直到溶出鈉硼相，并對(duì)溶出鈉硼相進(jìn)行反復(fù)沖洗，得到三維聯(lián)通孔結(jié)構(gòu)的富硅相，即納米多孔高硅氧玻璃。納米多孔高硅氧玻璃的化學(xué)成分通常有95%以上都是二氧化硅，其多孔的孔徑、比表面積、孔容積等參數(shù)的大小直接決定了稀土離子的摻雜量多少。由此可知，納米多孔高硅氧玻璃是后續(xù)稀土離子摻雜工藝中稀土離子的載體，其孔徑、比表面積、孔容積等參數(shù)對(duì)稀土離子摻雜高硅氧玻璃發(fā)光強(qiáng)度的大小具有重要的影響。

（2）稀土離子摻雜：在一定濃度的稀土離子溶液中浸泡納米多孔高硅氧玻璃，一段時(shí)間后就可以實(shí)現(xiàn)稀土離子摻雜。充分干燥摻雜稀土離子的納米多孔高硅氧玻璃，將干燥后的稀土離子摻雜高硅氧玻璃存在干燥器內(nèi)。

（3）高硅氧玻璃燒結(jié)：按照一定的溫度對(duì)摻雜了稀土離子的納米多孔高硅氧玻璃進(jìn)行燒結(jié)，收縮聯(lián)通多孔，量脫除納米微孔高硅氧玻璃內(nèi)表面存在的羥基。然后通過拋光得到稀土離子摻雜高硅氧玻璃。采用何種燒結(jié)氣氛應(yīng)根據(jù)選取的稀土離子和發(fā)光要求而定，除了Eu3+等少數(shù)稀土離子，通常在還原氣氛下燒結(jié)得到的稀土離子發(fā)光更強(qiáng)。

三、稀土離子摻雜高硅氧玻璃的發(fā)光性能

（一）Sm3+摻雜量對(duì)發(fā)射光譜的影響：以Sm3+摻雜量與發(fā)光性質(zhì)的關(guān)系為研究對(duì)象，采用Endiber公司的FLS920型穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀測(cè)試了不同溶液濃度摻雜下Sm3+摻雜高硅氧玻璃樣品的激發(fā)光譜。測(cè)量范圍為200-450nm時(shí)，Sm3+激發(fā)光譜如圖2。在313、340、358、371和401nm有明顯的激發(fā)峰.均是由于Sm3+的f-f躍遷造成的，最大激發(fā)峰位于401nm。

以401nm為激發(fā)波長(zhǎng)，在550nm～680nm的測(cè)試范圍內(nèi)，Sm3+摻雜高硅氧玻璃樣品的發(fā)射光譜。

Sm3+有三個(gè)發(fā)射特征峰位于564nm，602nm，649nm，分別是由于Sm3+的4G5/2 6HJ（J=5/2，7/2，9/2）電子躍遷引起的。由圖可知，摻雜量的改變并不會(huì)影響Sm3+發(fā)射峰的中心波長(zhǎng)，僅會(huì)改變峰值強(qiáng)度。

隨著摻雜溶液濃度的增加，Sm3+離子摻雜量逐漸增加，離子間距離逐漸減小。以Sm3+離子摻雜量為橫坐標(biāo)，不同發(fā)射峰強(qiáng)度為縱坐標(biāo)做圖。

隨著摻雜量的增加，高硅氧玻璃發(fā)光強(qiáng)度先增大后降低的現(xiàn)象稱為濃度猝滅現(xiàn)象。Sm3+離子的主要猝滅過程是4G5/2 6F9/2與4H5/2 6F9/2能級(jí)對(duì)之間的交叉弛豫過程，如圖1。

激發(fā)到4G5/2能級(jí)上的離子，由于交叉弛豫過程相當(dāng)多的激發(fā)離子從4G5/2能級(jí)轉(zhuǎn)移到6F9/2能級(jí)上，再經(jīng)過輻射和弛豫過程消耗了有用的激發(fā)態(tài)離子數(shù)減少了熒光發(fā)射。

（二）Sm3+摻雜量對(duì)熒光壽命的影響：為了研究高硅氧玻璃中Sm3+離子摻雜量與熒光壽命的關(guān)系，采用Endiber公司的FLS920型穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀測(cè)試各高硅氧玻璃樣品中Sm3+離子發(fā)光的熒光壽命。檢測(cè)波長(zhǎng)選為Sm3+離子發(fā)射峰值最高的波長(zhǎng)649nm，激發(fā)光波長(zhǎng)為401nm。Sm3+離子熒光壽命通常在2ms左右，實(shí)驗(yàn)中使用微秒脈沖閃光燈作為激發(fā)光源。

隨著摻雜量的增加，Sm3+離子熒光壽命不斷減小。這說明高硅氧玻璃中Sm3+的發(fā)生能量傳遞的臨界距離在0.8379nm到0.49nm之間，由于實(shí)驗(yàn)中離子摻雜量變化比較大，無法得出精確的Sm3+離子最優(yōu)摻雜量，需要繼續(xù)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)。

結(jié)論

稀土離子摻雜發(fā)光高硅氧玻璃在激光、光學(xué)放大器、光通訊、儲(chǔ)能和顯示等光電領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。高硅氧玻璃既具有氧化物高硅氧玻璃的高機(jī)械強(qiáng)度、高化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)，又具有氟化物高硅氧玻璃聲子能低的優(yōu)點(diǎn)，能有效地提高稀土離子的發(fā)光強(qiáng)度。本文通過對(duì)稀土離子摻雜高硅氧玻璃的制備工藝和發(fā)光性能分析，為稀土離子摻雜發(fā)光高硅氧玻璃的制備和應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。

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