Er~(3+)离子掺杂PMN-PT透明陶瓷光学性能研究

【摘要】稀土元素以其独特的物理性质和化学特征，在激光、照明电源、显示显像、光电子学领域中得到了广泛的应用。三价的铒离子(Er3+)的能级十分丰富，在泵浦光的照射下，可以辐射出不同波长的光子，是1.55μm第三代通信材料非常理想的增益介质，同时，它的上转换通道非常丰富，主要用于1.55μm激光材料，生物荧光标签和长余辉发光的警示标识的研究。在稀土的光学研究中，基质材料的特性对稀土元素发光效率的影响很大。具有钙钛矿结构的铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)透明陶瓷具有大的电光系数，良好的光学透明度和高的光学损伤阀值，是一种理想的基质材料。本文采用固相反应和两步烧结技术制备了不同浓度的三价铒离子Er3+掺杂的具有钙钛矿结构的PMN-PT透明陶瓷。利用XRD、荧光光谱仪对其进行了结构及光学性能表征，详细研究了不同浓度的稀土掺杂对PMN-PT:Er3+透明陶瓷的透明度、结构、上转换发光的影响，并对其上转换发光机理进行了讨论，研究了温度对红外发光强度和1533nm处发射峰半高宽的影响，以探索其在发光领域潜在的应用价值。第三章，利用光吸收光谱，红外发射光谱和激发光谱等测试方法研究了0.5mol.%铒离子Er3+掺杂的PMN-PT透明陶瓷的物相组成、透明度和不同温度下的荧光性能。结果表明，样品从可见光到红外区域的光透过率是65%。能级大约为2.98eV。4I13/2能级跃迁到4I15/2能级的激发光谱表明PMN-PT透明陶瓷中铒离子Er3+的直接光学泵浦是非常有效的。随着温度的增加，铒离子发射峰的半高宽单调地变宽；然而发光强度显示出了不同的结果，在12K到185K之间，发光强度随着温度的升高而增强，接下来随着温度从185K升高到300K，发光强度反而降低。第四章，应用X射线粉末衍射(XRD)、吸收光谱等测试方法研究了不同浓度铒离子Er3+掺杂的PMN-0.25PT透明陶瓷的物相组成，分析其结构特征。结果表明，我们成功制备了未掺杂和Er3+离子掺杂浓度分别为0.5mol.%，1.0mol.%，2.0mol.%和5.0mol.%的具有钙钛矿结构的PMN-0.25PT透明陶瓷，掺杂浓度为5.0mol.%时有焦绿石相生成，其含量小于2.0%。Er3+离子的掺杂对材料的光学透明度和吸收边有明显的改性作用。Er3+离子浓度低于2.0mol.%时，样品的带隙与纯的样品相比较宽，极化作用可能占主导地位。而当PMN-0.25PT透明陶瓷中Er3+离子浓度较大时，局部缺陷能级占主导地位。第五章，利用荧光光谱仪对样品进行了发光性能表征，研究了Er3+离子掺杂的PMN-PT透明陶瓷的上转换发光性能，其中Er3+离子的掺杂浓度从0.5mol.%到5.0mol.%变化。研究了上转换发光曲线对掺杂浓度和激光强度的依赖关系，并且讨论了上转换发光可能的机制。结果表明，随着Er3+离子浓度增加，透明陶瓷的发光颜色从黄绿色向红橙色变化。在低浓度Er3+离子掺杂的PMN-PT透明陶瓷中(0.5和1.0mol.%)，上转换发光主要是由于激发态吸收过程引起的，而在高浓度Er3+离子掺杂的PMN-PT透明陶瓷中，声子协助的能量传递过程使得上转换红色发光强度增强。本论文系统研究了Er3+离子掺杂的PMN-PT透明陶瓷的结构、透明度及其发光性能；首次研究了三价铒离子Er3+掺杂的PMN-PT透明陶瓷的红外发光性能对温度的依赖关系；首次研究了三价铒离子Er3+掺杂的PMN-PT透明陶瓷的上转换发光性能，讨论了上转换发光可能的机制，对于透明陶瓷用于光学器件的进一步开发应用具有重要的参考和借鉴价值。
【作者】韦之豪；
【导师】黄彦林；
【作者基本信息】苏州大学，材料学，2014，硕士
【关键词】透明陶瓷；稀土离子；钙钛矿；PMN-PT；光学材料和特性；

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