【摘要】：近年來(lái),稀土摻雜上轉(zhuǎn)換材料科技發(fā)展迅速,其在紅外檢測(cè)、固態(tài)激光、太陽(yáng)能電池、生物應(yīng)用等方面具備廣泛的應(yīng)用前景。然而,上轉(zhuǎn)換材料在具體實(shí)際應(yīng)用中還存在諸多障礙和問(wèn)題:例如上轉(zhuǎn)換納米材料吸收截面小、上轉(zhuǎn)換效率低和發(fā)光效率低的問(wèn)題。本論文中將反蛋白光子晶體結(jié)構(gòu)與等離子體效應(yīng)相結(jié)合,對(duì)客體稀土離子共同調(diào)控上轉(zhuǎn)換熒光發(fā)光,得到了21.6倍的熒光增強(qiáng)效果。所以這是一種行之有效的上轉(zhuǎn)換熒光增強(qiáng)的方法,具備探索和應(yīng)用的價(jià)值。利用溶膠凝膠法制備BaTiO_3:Yb~(3+),Er~(3+)@Ag前驅(qū)體,篩選出更合適的試驗(yàn)條件。之后利用無(wú)皂乳液聚合法制備不同粒徑的聚苯乙烯微球,獲取高質(zhì)量的模板單元。采取改進(jìn)的自組裝法制備蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體,探索不同條件形成蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的厚度與質(zhì)量等。將前驅(qū)體填充進(jìn)模板中,采用光沉積的方法還原納米銀,去除掉模板并退火,得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、形貌良好的BaTiO_3:Yb~(3+),Er~(3+)@Ag反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體,分析其物相以及發(fā)光特性。具體成果如下:(1)溶膠-凝膠法制備BaTiO_3:Yb~(3+),Er~(3+)@Ag以及BaTiO_3:Yb~(3+),Er~(3+)對(duì)比樣,研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)基質(zhì)中摻雜陽(yáng)離子越多,濃度越大時(shí),容易產(chǎn)生同離子效應(yīng),造成陽(yáng)離子析出,不再呈溶解狀態(tài),通過(guò)調(diào)節(jié)PH值和溶劑量得到澄清透明的前驅(qū)體;通過(guò)對(duì)比XRD表征圖像,在一定溫度范圍內(nèi),退火溫度越高形成的樣品結(jié)晶性越好,結(jié)合反蛋白結(jié)構(gòu)開裂的情況,得到了最優(yōu)的750℃退火溫度。(2)無(wú)皂乳液聚合法制備聚苯乙烯(PS)微球,探究了控制單一變量的情況下,形成聚苯乙烯微球的粒徑變化情況,探究了其反應(yīng)機(jī)理。SEM圖像可以清晰地看出制備出的微球單分散性良好,粒徑均勻,得出控制反應(yīng)時(shí)間條件形成的微球粒徑容易形成線性變化,適合在本工作中制備不同粒徑的聚苯乙烯微球。(3)通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)垂直沉積自組裝法和浮動(dòng)垂直沉積自組裝法,發(fā)現(xiàn)浮動(dòng)垂直沉積自組裝法有更短的試驗(yàn)周期,以及形成樣品質(zhì)量較好,厚度及層數(shù)可控的優(yōu)勢(shì),SEM平面和截面圖像顯示,得到的樣品結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,周期性和對(duì)稱性良好,層與層之間穩(wěn)定,缺陷較少,開裂情況極少發(fā)生,表面雜質(zhì)影響因素較少。測(cè)試其透射光譜,獲取了帶隙位置不同的樣品,推定了蛋白石結(jié)構(gòu)帶隙位置與微球粒徑之間的關(guān)系。(4)將前驅(qū)體與蛋白石結(jié)構(gòu)模板相結(jié)合,合成出良好的BaTiO_3:Yb~(3+),Er~(3+)@Ag反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體,SEM圖像可以看出樣品的周期性、完整性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性都比較突出。測(cè)定其XRD表征得出其結(jié)晶性良好,且退火溫度過(guò)高會(huì)破壞反蛋白石結(jié)構(gòu)的連續(xù)性,使其開裂。利用分光光度計(jì)測(cè)試樣品的透射光譜,制得光子帶隙中心位置范圍從440nm-980nm的樣品。當(dāng)用980nm激光激發(fā)樣品時(shí),可以得到525nm綠光和660nm紅光發(fā)射。當(dāng)樣品光子帶隙中心在460nm時(shí),綠光525nm可以增強(qiáng)3.2倍,660nm紅光增強(qiáng)接近于9倍;當(dāng)樣品帶隙中心位于498nm時(shí),550nm綠光發(fā)射增強(qiáng)了約1.74倍,660nm紅光增強(qiáng)了8.9倍;當(dāng)樣品帶隙中心位置在980nm時(shí),550nm綠光發(fā)射增強(qiáng)了21.6倍,660nm紅光增強(qiáng)了10.2倍;當(dāng)樣品光子帶隙位置和綠光發(fā)光525nm和550nm位置重合時(shí),紅光增強(qiáng)了8.9倍,而550nm發(fā)光被抑制。本工作中創(chuàng)新地采取將等離子體通過(guò)制備混合前驅(qū)體的方法將之納入反蛋白石結(jié)構(gòu)中,區(qū)別于傳統(tǒng)的沉積于結(jié)構(gòu)表面的等離子體增強(qiáng);采取光子帶隙中心與激發(fā)光場(chǎng)波長(zhǎng)重合,使其在反蛋白石結(jié)構(gòu)的空隙中能形成光子局域并多次全反射激發(fā)光,提高了激發(fā)光場(chǎng)的利用效果;取得了良好的效果,為上轉(zhuǎn)換熒光增強(qiáng)提供新的思路。
【學(xué)位授予單位】：遼寧大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O53
【圖文】：

創(chuàng)新地將等離子體引入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的客體稀土離子進(jìn)行熒光增，開拓了上轉(zhuǎn)換納米材料在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值。納米材料的尺寸量級(jí)是指介于 10-1-102nm 之間，在三維空間內(nèi)的三個(gè)維度上至少一個(gè)維度具備該尺寸量級(jí)，即為納米材料。這樣的維度系統(tǒng)不能再以經(jīng)的維度系統(tǒng)來(lái)看待，而處于一種典型的介觀系統(tǒng)中。另外，光的波長(zhǎng)接近于些納米材料的尺寸，以及在納米尺寸量級(jí)上比表面積很大引發(fā)的物理化學(xué)性，其光學(xué)、熱導(dǎo)體等性能都與其宏觀下的性質(zhì)會(huì)發(fā)生巨大改變。會(huì)呈現(xiàn)出如面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)和介電限域等特點(diǎn)。稀土資源在科研、軍工、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等諸多方面都扮演重要的應(yīng)用角色。稀元素指在元素周期表中原子序數(shù)為 57 到 71 的鑭系元素和 IIIB 族原子序?yàn)?21 的鈧（Sc），39 的釔（Y）等十七種元素，這些元素內(nèi)部的電子結(jié)構(gòu)和學(xué)性質(zhì)是相近的。如圖 1.1 所示，這些元素都是具有代表性的金屬元素，其化和物理性質(zhì)大多很活潑，在自然界中多以穩(wěn)定的化合物形式存在，除了可以氧、氮以及諸多非金屬元素產(chǎn)生穩(wěn)定的化合物，和過(guò)渡族金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)可以穩(wěn)定存在與自然界。

第 1 章 緒論了漫長(zhǎng)而曲折的過(guò)程，十八世紀(jì)，J.Gadolin 率先提煉分離出了釔世紀(jì)九十年代至今，諸多相關(guān)報(bào)道逐漸將研究重點(diǎn)放在稀土摻雜性的研究以及應(yīng)用探索上，取得了該領(lǐng)域研究質(zhì)地飛躍[5~11]。學(xué)機(jī)理看，這一原理過(guò)程大多由兩個(gè)或者更多的低能量的光子經(jīng)過(guò)子的吸收作用后，輻射出具有較高能量的單個(gè)光子的過(guò)程[12]。通較低的光子激發(fā)，即波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光子，激發(fā)至中間能態(tài)，然后繼光子到達(dá)更高的能級(jí)，因此可以發(fā)射頻率較高的光子，即波長(zhǎng)較程。例如紅外光轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光就是一種常見(jiàn)的上轉(zhuǎn)換發(fā)光過(guò)程。反斯托克斯的發(fā)光過(guò)程[13~18]。

上轉(zhuǎn)換發(fā)光現(xiàn)象最早發(fā)現(xiàn)于 20 世紀(jì) 40 年代，50、60 年代，上轉(zhuǎn)換發(fā)光因事需要，研究水平得到了前所未有的發(fā)展；70 年代科學(xué)家們的研究主要針土離子上轉(zhuǎn)換發(fā)光的機(jī)制；到了 80 年代，稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較高的激光輸出并且波長(zhǎng)可以覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)域。Auzel[17]等提出了共協(xié)上轉(zhuǎn)應(yīng)、激發(fā)態(tài)吸收、合作發(fā)光、合作敏化及雙光子吸收激發(fā)等上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)之后紅外光二極管技術(shù)的發(fā)展，為上轉(zhuǎn)換激光器的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[19]；摻雜玻璃材料逐漸制備成為光纖；光纖激光器誕生，這一時(shí)期上轉(zhuǎn)換材料了長(zhǎng)足的發(fā)展，報(bào)道記載中最高的達(dá)到了瓦量級(jí)（W）的激光輸出[20]。從上轉(zhuǎn)換發(fā)光的機(jī)理上來(lái)看，稀土離子 4f 內(nèi)殼層內(nèi)部的電子躍遷是稀土離夠產(chǎn)生上轉(zhuǎn)換發(fā)光的主要原因，這是由于 5s 和 5p 電子層對(duì)內(nèi)部的 4f 電子有特有的屏蔽作用[21]。上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)制可區(qū)分為：(a)激發(fā)態(tài)吸收(ESA); (b雪崩(PA); (c) 能量傳遞上轉(zhuǎn)換(ETU); (d)能量遷移上轉(zhuǎn)換(EMU)與(e)合作上(CPU)，如圖 1-3 所示。通常上轉(zhuǎn)換發(fā)光多由多種上轉(zhuǎn)換過(guò)程相互結(jié)合來(lái)實(shí)22]。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

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本文編號(hào)：2798245