稀土/过渡金属掺杂碱土氟硅酸盐玻璃陶瓷发光性能的研究

摘要

本论文简述了稀土离子与过渡金属离子的光谱理论和Foster能量传递理论，介绍了上转换发光的机制，概述了近年来用于硅太阳能电池光谱调制材料的研究进展，在此基础上制备了Yb3+/Tm3+、Yb3+/Er3+共掺含SrF2，以及Er3+/Yb3+、Cr3+/Yb3+、Bi/Yb3+共掺含CaF2的氟氧化物玻璃和玻璃陶瓷。应用热分析(DTA)、X射线粉末衍射(XRD)、透射电镜(TEM)及光致发光光谱(PL)等测试手段，研究了热处理机制、掺杂离子浓度等对玻璃及玻璃陶瓷样品物相、微观形貌和发光性能的影响。
　　 制备了Yb3+/Tm3+和Yb3+/Er3+共掺含SrF2的氟氧化物玻璃和玻璃陶瓷，TEM结果表明玻璃陶瓷基体中析出了均匀的立方SrF2纳米晶相。玻璃陶瓷在980 nmLD激光激发下的上转换发光强度较玻璃样品有较大提高，其上转换发光机制分别主要为Yb3+-Yb3+之间的合作上转换，Yb3+-Tm3+和Tm3+-Tm3+之间的交叉弛豫能量传递过程，以及Yb3+-Er3+之间的能量传递上转换。
　　 制备了Er3+/Yb3+共掺含CaF2的氟氧化物玻璃和玻璃陶瓷，HRTEM结果表明经过热处理后玻璃基体中析出了CaF2纳米微晶；在1450nm激光激发下，Er3+从基态跃迁至4I11/2能级，通过Er3+向Yb3+的能量共振传递，共掺玻璃及玻璃陶瓷样品均在900～1100 nm区间出现了宽带发射，对应Yb3+：2F5/2→2F7/2能级跃迁；随着热处理温度的升高，Yb3+的发光强度不断增强。
　　 制备了Cr3+/Yb3+共掺含CaF2的氟氧化物玻璃和玻璃陶瓷，TEM结果表明热处理后玻璃基体中析出了均匀分布的立方CaF2纳米微晶；通过归属于Cr3+的宽带激发峰激发下，Yb3+发射出980 nm的红外光，可以确定Cr3+：2E(G)能级与Yb3+：2F5/2能级间发生了能量传递：随着Yb3+掺杂浓度的升高，Cr3+：2E(G)能级的寿命逐渐降低，同时Cr3+到Yb3+的能量传递效率可达到84.83％；通过热处理玻璃样品，得到的含CaF2纳米微晶的玻璃陶瓷在980 nm的发射峰强度比相应玻璃样品高约6倍；Cr3+/Yb3+共掺玻璃和玻璃陶瓷可以被应用在转化紫外或可见光子到红外波段以提高硅太阳能电池对光能的利用率。
　　 制备了Bi/Yb3+共掺含CaF2的氟氧化物玻璃和玻璃陶瓷：Bi+与Yb3+之间可发生能量传递，通过Bi+在可见波长的激发峰激发样品，可以发生下转化能量传递发射出1μm的红外光；在20 K低温下，可发生Bi+向Yb3+的上转换传能。