上轉(zhuǎn)換材料研究

—如海光電來助力

一、研究背景

上轉(zhuǎn)換發(fā)光指材料吸收長波長的低能光而發(fā)射短波長的高能光的現(xiàn)象，被稱為反-斯托克斯發(fā)光。機理是發(fā)光中心吸收兩個或者多個長波長光子，后經(jīng)過無輻射弛豫到達激發(fā)態(tài)，隨后再從激發(fā)態(tài)躍遷至基態(tài)的過程中，釋放出短波長的光子。上轉(zhuǎn)換發(fā)光過程可按機制分為五種：①激發(fā)態(tài)吸收（ESA）；②能量傳遞上轉(zhuǎn)換（ETU）；③合作上轉(zhuǎn)換（CU）；④能量遷移上轉(zhuǎn)換（EMU）；⑤光子雪崩（PA）。圖1表示五種上轉(zhuǎn)換發(fā)光機制的實現(xiàn)過程。

圖1 五種上轉(zhuǎn)換發(fā)光機制

光子上轉(zhuǎn)換是一種重要的非線性反斯托克斯發(fā)光現(xiàn)象，在太陽能電池、生物醫(yī)學成像、信息安全、溫度傳感器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。稀土離子是一類理想的上轉(zhuǎn)換發(fā)光中心，可以實現(xiàn)發(fā)射波長精細可調(diào)、覆蓋近紅外-可見光-近紫外的上轉(zhuǎn)換發(fā)光。

二、上轉(zhuǎn)換材料研究內(nèi)容

以太陽能電池應(yīng)用為例，上轉(zhuǎn)換材料可以將紅外光轉(zhuǎn)換成能量更高的紫外光和可見光，進而可以被半導體吸收，是拓展利用紅外光進行光催化的一種重要的手段。將上轉(zhuǎn)換材料與半導體材料復合是制備高效近紅外光催化材料簡單、有效的方法之一。上轉(zhuǎn)換材料熒光發(fā)射光譜是其性能的重要表征手段。在980 nm半導體激光器的激發(fā)下，Yb³⁺-Er³⁺共摻雜的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料可以在525、550 nm處發(fā)射綠色光，其發(fā)射峰對應(yīng)于²H_11/2/⁴S_3/2→⁴I_15/2躍遷，其發(fā)射的紅色上轉(zhuǎn)換發(fā)光在660 nm處，對應(yīng)于^４F_9/2→⁴I_15/2躍遷，如圖2所示。

圖2 Yb³⁺-Er³⁺/Yb³⁺-Tm³⁺共摻上轉(zhuǎn)換材料在980 nm激發(fā)下的發(fā)光譜

吳佳玲研究油酸酒精和檸檬酸鈉輔助下水熱合成的NaYF₄: Yb³⁺/Tm³⁺的不同，在980 nm激發(fā)下測得的NaYF₄: Yb³⁺/Tm³⁺的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜如圖3所示。由圖可知，NaYF₄: Yb³⁺/Tm³⁺上轉(zhuǎn)換發(fā)光強度，檸檬酸鈉法輔助制備的大于油酸酒精法輔助制備的；發(fā)光強度隨著Yb離子濃度的增大而增大。并且在其他條件相同的情況下，尺寸大的微晶體其熒光強度相對越大。

圖3 980 nm激發(fā)下NaYF₄: Yb³⁺/Tm³⁺的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜

黃蕊通過測定980 nm激光激發(fā)下Er³⁺、Mn⁴⁺單摻雜，Er³⁺/Mn⁴⁺共摻雜NMGT熒光粉在500-800 nm范圍內(nèi)的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜，以及600 nm-800 nm范圍內(nèi)NMGT: 0.01Mn⁴⁺在455 nm激發(fā)下的發(fā)射光譜，確定了樣品的最佳組成為NMGT: 0.08Er³⁺/0.06Yb³⁺/0.002Mn⁴⁺，如圖4所示。圖4中的插圖(a)進一步給出了在750 nm-900 nm區(qū)域內(nèi)NMGT: Er³⁺和 NMGT：Er³⁺/Mn⁴⁺的上轉(zhuǎn)換光譜。將980 nm激光器作為激發(fā)源，在NMGT: 0.08Er³⁺熒光粉中觀察到兩個位于544 nm和656 nm附近的強發(fā)射帶和一個以850 nm為中心的弱發(fā)射帶，這分別是由Er³⁺的²H_11/2、⁴S_3/2→⁴I_15/2、⁴F_9/2→⁴I_15/2和⁴S_3/2→²I_13/2躍遷產(chǎn)生的。圖4中的插圖(b)呈現(xiàn)了摻雜不同濃度的Er³⁺時，Mn⁴⁺: 2E→4A2 躍遷對應(yīng)的發(fā)射帶的熒光強度的變化。Mn⁴⁺的發(fā)射強度隨Er³⁺含量的提高而增加，達到最大值時x=0.08。當Er³⁺摻雜含量大于0.08時，發(fā)射強度由于濃度猝滅而逐漸減小。

圖4 980 nm激發(fā)的NMGT: xEr³⁺/zMn⁴⁺（x=0,0.08;z=0,0.01）的上轉(zhuǎn)換光譜和455 nm激發(fā)下的NMGT: 0.01Mn⁴⁺的發(fā)射光譜，插圖（a）NMGT: Er³⁺在750 nm-900 nm區(qū)域的上轉(zhuǎn)換光譜（b）Mn⁴⁺的發(fā)射強度與Er³⁺濃度的關(guān)系

三、LIFS980 激光誘導熒光光譜儀

LIFS980高度集成，輕巧便捷；高穩(wěn)定性；可以選配線陣、面陣、深制冷光譜儀，輸出功率支持0-500 mW調(diào)節(jié)，方便科研人員測試上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在不同激發(fā)功率時的熒光發(fā)射光譜。檢測結(jié)果客觀準確，客戶可根據(jù)應(yīng)用需求選擇適合的產(chǎn)品。

      圖5 LIFS 980 nm激光誘導熒光光譜儀

注：以上規(guī)格為標準配置，可根據(jù)客戶具體需求，提供定制產(chǎn)品。

參考文獻

Dong, Hao; Sun, Ling-Dong; Yan, Chun-Hua (2015). Energy transfer in lanthanide upconversion studies for extended optical applications. Chem. Soc. Rev. 44(6), 1608–1634. doi: 10.1039/C4CS00188E

吳佳玲.稀土離子摻雜的微晶體上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性研究[J/OL].激光與光電子學進展:1-14.[2021-11-10]. 

黃蕊. 980 nm激發(fā)下稀土離子敏化的Mn⁴⁺的上轉(zhuǎn)換發(fā)光[D].湘潭大學,2020.

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