Visible to Near Infrared__ Conversion in Ce(3+)-Yb(3+) Co-doped YAG Ceramics
氧化锆红外分析

锆溶胶有机/无机杂化体系的研究摘要本论文利用溶胶-凝胶法将有机物与无机物通过共价键相结合,从而制备紫外光固化耐磨涂料。
控制溶胶-凝胶的反应条件可以形成稳定的溶胶,接着混入树脂,然后将加入光引发剂的稳定体系进行紫外光固化,得到耐磨涂料。
合成了不同pH值的溶胶和不同有机/无机质量比的有机/无机杂化体系,用FTIR、TEM等手段表征,比较制备条件对溶胶及杂化体系的影响。
关键词溶胶-凝胶法锆溶胶有机/无机杂化体系紫外光固化1.引言紫外光(UV)固化涂料及其涂装技术是80年代兴起的表面处理新技术。
该涂料利用紫外光辐射引发树脂固化,与现有的热固化涂料相比,具有固化快,节能,常温固化,污染少,涂层性能优越等有点,是新一代绿色化工产品。
在一些应用场合,要求紫外光固化涂料具有优良的耐磨性。
利用溶胶-凝胶法(Sol-gel process)制备有机-无机杂化体系是提高涂料耐磨性的最新途径。
所得涂层既保留了有机涂料的特性,又引入了无机材料的高耐磨性能。
本文利用氧氯化锆水解缩合制备氧化锆溶胶,然后将其与感光树脂混合,得到具有良好耐磨性的有机/无机杂化紫外光固化涂料。
溶胶制备中加入γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(TMSPM)共同水解缩合,使所得的溶胶带有光敏基团,同时,采用带光敏基团的丙烯酸-N,N-二甲胺乙酯(DM)调节pH值。
这样,在光照时这些光敏性基团能与感光树脂共聚固化,从而实现有机相与无机相的共价键结合。
2.实验2.1主要试剂及原料γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(TMSPM)、光引发剂(184)为工业级试剂;环氧丙烯酸酯树脂(牌号CN124)为SARTOMER产品。
其余试剂均为分析纯。
2.2实验部分2.2.1锆溶胶的制备和改性将ZrOCl2·8H2O与适量乙醇置于三颈瓶中,于35℃水浴加热。
ZrOCl2·8H2O刚开始不溶于乙醇,经电磁搅拌后,逐渐由乳白色悬浊液变得无色澄清透明。
再搅拌一个小时后,加入少量乙酰丙酮,滴入γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(TMSPM)。
Tm_3_Yb_3_共掺ZBLAN玻璃中的能量传递与上转换

H 6 跃迁自发辐射概率极大 ( 1456 2 s- 1 ) [ 1] 造成的. 这个事实也 测量了上转换发光强度随入射功率 的变化 , 结果见 图 2, 在双对数 坐标下 , 对应 793, 647, 474, 360 nm 斜率分别为 1 69, 2 34, 2 35, 3 65. 一 般情况 , 斜率 应近似为整数. 这让人迷惑 . 事实上, 在 本 实 验 室 的 同 类 研 究 中, 也 曾 发 现 Er 3+ , Yb3+ 共掺 ZBLAN 玻璃中 Er 3+ 的 上转 换 发 光 有 同 样 情 况 ; 但 是 , 在 T m 3+ 和 Yb 3+ 共掺的五磷酸盐中没有这 种情况[ 6] ( 见 图 3) . 我们认为 这是因为 ZBLAN 玻璃中稀土离子形成簇( cluster) 造成的 . 同样的 提法也见 文献 [ 2] . 另 外, 当激光束打在样品不同地方, 所得值 也有不同 , 差值超过测量误差 , 这暗示样
3 3 3
F7/ 2 , G4
1 1Biblioteka 11D2 ) 能量传递间隔差有 2900 cm
3 3 1
- 1
, 因而它是极小的. 而 (
1
H 4 , F4
3
1
D2 ) 和( G 4
D2 , F 4
H 4 ) 的间隔差只有 500 cm
- 1
, 考虑能级展宽, 这是
部分交迭的 . 所以这两个能量传递通道是很大的 , 它们是 D2 能级上转换发光的机制 . 它 们之间的相对强弱还依赖耦合机制 , 对于电偶极 - 电偶极作用 , 遵循文献 [ 5] 中的计算步 骤, 前者远大于后者 .
2
实验装置
利用Judd-Ofelt理论研究氟氧化物玻璃陶瓷

Judd-Ofelt理论的简介
三价自由稀土离子的4fN组态的电子波函数具有相同的宇称, 电偶极跃迁是宇称禁戒的,没有电偶极辐射和吸收。而当三价 稀土离子掺入晶体后看到了发光现象,并且实验上发现4fN组 态的跃迁多数是电偶极跃迁。 Laurence Radiation 实验室的B.R.Judd和Johns Hopkins 大学 B.R.Judd Johns 的G.S.Ofelt分别独立地在理论上解释了这一现象,他们假定由 于某种非中心对称的作用使4fN组态的态和具有相反宇称的态 混杂,从而产生电偶极跃迁,并且导出了4fN组态电偶极跃迁 强度的表达式。他们的理论具有异曲同工之处,所以后来被称 为Judd-Ofelt理论或J-O理论,用于对实际稀土发光体进行定量 计算。实践证明,J-O理论是目前唯一能在一定精度内(误差 10%-15%)定量计算稀土离子发光强度的理论方法。
利用Judd-Ofelt理论计算光谱参量
自发跃迁几率AJJ’和能级辐射寿命τ 自发跃迁几率AJJ’和能级辐射寿命计算公式分别如 下: 64π e ν n(n + 2) A = ⋅ S
4 2 3 2 2 JJ '
3h(2 J + 1)
9
JJ '
τ = 1 A (αJ ) T
自发辐射几率随Ω6减小而减小,能级辐射寿命随 Ω6减小而增大。而能级寿命越长越容易在上能级 形成更多的粒子布居数,越容易形成粒子数反转, 这是产生激光的必备条件。
晶场参数Ωλ
晶场参数Ωλ从宏观上描述材料的物化特性: Ω2表示共价键的数量。与玻璃基质的对称性有关,对 玻璃成分的变化最敏感。反映了基质玻璃结构的配位对 称性和有序性。Ω2越大,玻璃的共价性越强,反之, 离子性越强。 Ω4受玻璃键性和结构对称性影响较小,它主要受玻璃 的酸碱度影响。 Ω6与基质的刚性有关,且刚性越好,Ω6值越小。Ω6决 定自发辐射跃迁几率AJJ’和能级辐射寿命τ,Ω6越小自 发辐射跃迁几率AJJ’越小,辐射寿命越大。
La_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)复掺制备高强韧Al_(2)O_(3)陶瓷基板

第42卷 第6期Vol.42No.62021年12月Journal of Ceramics Dec. 2021收稿日期:2021‒07‒12。
修订日期:2021‒09‒14。
Received date: 2021‒07‒12. Revised date: 2021‒09‒14.基金项目:广东省“珠江人才计划”本土创新科研团队项目 Correspondent author: NIE Guanglin (1990-), Male, Ph.D.; (2017BT01C169);广东省基础与应用基础研究基金项目(2020 WU Shanghua (1963-), Male, Ph.D., Professor.A1515010004);绿色建筑材料国家重点实验室开放基金(2019 E-mail: **************************;************.cn GBM03)。
通信联系人:聂光临(1990-),男,博士;伍尚华(1963-),男, 博士,教授。
DOI: 10.13957/ki.tcxb.2021.06.016La 2O 3-Y 2O 3复掺制备高强韧Al 2O 3陶瓷基板刘磊仁1,聂光临1,黄丹武1,赵振华1,包亦望2,伍尚华1(1. 广东工业大学 机电工程学院,广东 广州 510006;2. 中国建筑材料科学研究总院有限公司 绿色建筑材料国家重点实验室,北京 100024)摘 要:Al 2O 3作为应用最广的陶瓷基板,优异的力学强度、韧性与导热性能是确保其安全可靠服役的前提。
稀土金属氧化物(La 2O 3、Y 2O 3)掺杂是提升Al 2O 3陶瓷力学性能的有效方法,然而,单一掺杂的强化效果有限,因此,采用La 2O 3-Y 2O 3复掺的方法以望进一步提升Al 2O 3陶瓷基板的抗弯强度与断裂韧性,并在此基础上探讨了La 2O 3-Y 2O 3复掺对Al 2O 3陶瓷热导率的影响规律。
Er^3+单掺与Er^3+Yb^3+共掺NBT-CT无铅压电陶瓷的上转换发光性能研究

第50卷第1期2021年1月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.50㊀No.1January,2021Er 3+单掺与Er 3+/Yb 3+共掺NBT-CT无铅压电陶瓷的上转换发光性能研究马春林,周㊀越,马晨宇,董倩文,吴㊀瑾,范雨香,翟章印(淮阴师范学院物理与电子电气工程学院,淮安㊀223300)摘要:采用固相烧结法制备一系列Er 3+单掺与Er 3+/Yb 3+共掺0.96Na 0.5Bi 0.5TiO 3-0.04CaTiO 3(NBT-CTʒx Er 3+/y Yb 3+,x =0.002~0.015,y =0.010)无铅压电陶瓷㊂通过X 射线衍射仪和荧光光谱仪分别对样品的物相结构和上转换发光特性进行表征和分析㊂结果表明,样品的主晶相为NBT 晶相㊂在波长为980nm 的近红外光激发下,Er 3+单掺与Er 3+/Yb 3+共掺NBT-CT 陶瓷均呈现强的以绿光为主的Er 3+特征上转换发光㊂在NBT-CTʒx Er 3+中,当x =0.010时上转换发光性能最佳;Yb 3+能够起到敏化作用,明显增强Er 3+的上转换发光强度㊂关键词:无铅压电陶瓷;Na 0.5Bi 0.5TiO 3;Er 3+/Yb 3+;固相烧结法;上转换发光中图分类号:O482.3㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2021)01-0138-05Up-Conversion Luminescence Property of Er 3+Doped and Er 3+/Yb 3+Co-Doped NBT-CT Lead-Free Piezoelectric CeramicsMA Chunlin ,ZHOU Yue ,MA Chenyu ,DONG Qianwen ,WU Jin ,FAN Yuxiang ,ZHAI Zhangyin (School of Physics and Electronic and Electrical Engineering,Huaiyin Normal University,Huai'a n 223300,China)Abstract :A series of Er 3+doped and Er 3+/Yb 3+co-doped 0.96Na 0.5Bi 0.5TiO 3-0.04CaTiO 3(NBT-CTʒx Er 3+/y Yb 3+,x =0.002~0.015,y =0.010)lead-free piezoelectric ceramics were prepared by a solid-state sintering method.The phase structure and up-conversion luminescence properties of the samples were characterized and analyzed by X-ray diffraction and fluorescence spectrofluorometer,respectively.These results show that the main crystal phase of the samples is that of NBT.Under the excitation of a 980nm near-infrared light,the Er 3+doped and Er 3+/Yb 3+co-doped NBT-CT ceramics exhibit characteristic emission of Er 3+with strong dominant green up-conversion emissions.The optimal up-conversion luminescence performance with x =0.010in NBT-CTʒx Er 3+ceramics are obtained.Yb 3+can act as sensitizer and significantly enhance the up-conversion luminescence intensity of Er 3+.Key words :lead-free piezoelectric ceramics;Na 0.5Bi 0.5TiO 3;Er 3+/Yb 3+;solid-state sintering method;up-conversion luminescence ㊀㊀收稿日期:2020-09-30㊀㊀基金项目:江苏省高等学校自然科学研究基金(19KJA150011);淮安市自然科学研究计划(HAB202056);江苏省高等学校大学生创新创业训练计划(201917011XJ,202010323074Y)㊂㊀㊀作者简介:马春林(1980 ),女,江苏省人,博士㊂E-mail:mchl88@0㊀引㊀㊀言压电陶瓷是一种能够实现机械能和电能相互转换的无机功能材料,可广泛应用于探测器㊁换能器㊁滤波器和传感器等领域㊂目前,在压电陶瓷体系中,铅基压电陶瓷因其在准同型相界处压电性能优异而被广泛应用㊂但是,在铅基陶瓷的制备原料中含有强毒性的PbO,在高温烧结或加工处理时具有高挥发性,会给生态环境和人类健康造成很大的危害,背离人们对电子器件绿色环保的要求㊂因此,国内外研究人员越来越关注对环境友好的多功能无铅压电陶瓷,并进行了大量研究㊂按照结构类型的不同,无铅压电陶瓷材料主要有钙钛矿型㊁铋系层状和钨青铜型等㊂其中化学式为ABO 3钙钛矿型压电陶瓷由于其结构简单㊁物理现象丰富,㊀第1期马春林等:Er3+单掺与Er3+/Yb3+共掺NBT-CT无铅压电陶瓷的上转换发光性能研究139㊀是目前研究及应用最为广泛的一类无铅压电陶瓷㊂目前,钙钛矿型无铅压电陶瓷主要包含Na0.5Bi0.5TiO3 (NBT)基㊁BaTiO3(BT)基和Na0.5K0.5NbO3(NKN)基等㊂其中NBT具有强铁电性㊁高居里温度和良好的声学性能等优点,但纯NBT的矫顽场和电导率均高,导致其难以获得理想的电学性能[1]㊂针对NBT在实际应用中的不足,国内外学者对其展开了广泛研究㊂研究结果表明,在NBT中引入其他钙钛矿结构的新组元与其形成多元体系,或对其进行离子掺杂等方法可以有效改善NBT压电陶瓷的电学性能,例如在NBT中引入CaTiO3(CT)㊁BaTiO3(BT)和K0.5Bi0.5TiO3(KBT)等[2-4]㊂将CT引入NBT基所形成的固溶体,与纯NBT陶瓷相比,其矫顽场变小,压电性能增强[2]㊂为了实现NBT基陶瓷的光电多功能特性,研究人员将稀土离子掺杂到NBT二元或多元体系中,一方面,稀土离子可以作为提高基体电学性能的结构改性剂,另一方面还可以作为引入高效光致发光性能的激活剂[5-8]㊂在Sm3+掺杂NBT-x CT陶瓷体系中,当x=0.04时,压电性和光致发光性均达到最佳[9]㊂在稀土离子中,Er3+激活的发光材料被980nm的近红外光辐照时,可以实现上转换可见光波段的绿色和红色光发射[7,10]㊂另外,Er3+掺杂发光材料在光学温度传感[11]㊁局域结构的光谱探针[12]㊁电信行业和激光中使用的波长为1.54μm的近红外特征发射[13]等领域受到广大研究人员的关注㊂但是,因为吸收截面小, Er3+单独掺杂的发光材料在980nm激发下,上转换发光效率很低,限制了其实际应用㊂先前的研究表明, Yb3+可作为Er3+的敏化剂,在980nm附近具有更大的吸收截面,可以共振地将能量传递给Er3+,进而有效增强Er3+对近红外光的吸收和Er3+激活发光材料的上转换发光性能[14-15]㊂本文通过固相烧结法制备了Er3+单掺与Er3+/Yb3+共掺NBT-CT无铅压电陶瓷样品,并对不同Er3+和Yb3+含量对样品的物相结构和上转换发光特性的影响展开了研究㊂1㊀实㊀㊀验1.1㊀样品制备通过固相烧结法,准备纯度分别为99.9%㊁99.99%㊁99.99%㊁99.9%㊁99.9%㊁99.99%的Bi2O3㊁TiO2㊁Na2CO3㊁Er2O3㊁Yb2O3㊁CaCO3粉末状初始原料,根据0.96Na0.5Bi0.5-x-y Er x Yb y TiO3-0.04CaTiO3(NBT-CTʒx Er3+/y Yb3+,x=0.002~0.015,y=0.010)的化学计量比,计算并称量各原料所需的投料量㊂然后将其放入玛瑙研钵中,并加入适量的无水乙醇进行充分研磨,混合均匀后放入刚玉坩埚,置于马弗炉中以800ħ的温度预烧2h;完成后将预烧粉再次充分研磨,每次称取0.6g,倒入模具中压制成直径为10mm,厚度为1~2mm圆片型坯体(生胚)㊂在刚玉垫片上铺上母粉,将生胚放在母粉上,再以母粉将生胚覆盖,最后盖上刚玉坩埚,将坩埚与垫片接触处密封,采用埋烧法在1150ħ烧结3h后冷却至室温,即得到NBT-CTʒx Er3+ (x=0.002,0.004,0.006,0.008,0.010,0.015)和NBT-CTʒ0.010Er3+/0.010Yb3+陶瓷样品㊂1.2㊀样品表征使用X射线衍射仪(XRD,D8Advance,Bruker)表征物相结构,采用荧光光谱仪(FS5)测试样品的荧光发射光谱㊂所有的样品表征均在室温下完成㊂2㊀结果与讨论2.1㊀物相结构通过X射线衍射图可以分析样品的物相结构㊂图1为在室温下使用X射线衍射仪对NBT-CTʒx Er3+/ y Yb3+样品测试所得的XRD图谱㊂由图1可观察到所有样品均为纯的ABO3钙钛矿结构,且没有出现杂相㊂样品的所有XRD衍射峰均与NBT标准谱(JCPDS card No.36-0340)相对应,说明Er3+㊁Yb3+已完全掺入到NBT-CT基质晶格中㊂图2为NBT-CTʒx Er3+/y Yb3+固溶体的放大XRD图谱,其2θ范围在31.75ʎ~33.5ʎ㊂由图2知,随着Er3+和Yb3+掺杂浓度的增加,衍射峰位向着高角度方向偏移,因为掺杂的Er3+㊁Yb3+㊁A位的Bi3+和B位的Ti4+的离子半径分别为0.089nm㊁0.0868nm㊁0.103nm和0.065nm[16],因此Er3+㊁Yb3+的离子半径较接近于Bi3+,且它们的价态相同,所以Er3+㊁Yb3+容易取代A位的Bi3+,引起微小的晶格收缩,晶面间距减小,样140㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第50卷品的晶格发生畸变㊂依据布拉格衍射公式,衍射主峰的峰位略向高角度方向偏移㊂图1㊀NBT-CTʒx Er 3+/y Yb 3+陶瓷的XRD 图谱Fig.1㊀XRD patterns of NBT-CTʒx Er 3+/y Yb 3+ceramics 图2㊀NBT-CTʒx Er 3+/y Yb 3+陶瓷2θ在31.75ʎ~33.5ʎ内的放大XRD 图谱Fig.2㊀Enlarged diffraction patterns in the range of 31.75ʎto 33.5ʎof NBT-CTʒx Er 3+/y YB 3+ceramics 2.2㊀NBT-CTʒx Er 3+陶瓷样品的上转换发光性能为了研究Er 3+在NBT-CT 基质中的上转换发光特性,制备了一系列Er 3+掺杂NBT-CT 无铅压电陶瓷㊂图3(a)为NBT-CTʒx Er 3+陶瓷样品在室温下980nm 激发下的上转换发射光谱㊂由图3(a)可见,随着Er 3+掺杂浓度的增加,发射特征峰的形状和位置没有变化,但发射光的强度先增加后减小,在x =0.010时,发光性能达到最佳㊂说明通过Er 3+掺杂浓度的调节可以对NBT-CTʒx Er 3+陶瓷的上转换发光强度进行调控㊂在980nm 波长的辐照下,NBT-CTʒx Er 3+样品呈现很强的Er 3+特征发射,发射峰中有两个较强的以530nm 和546nm 为中心波长的绿色峰,分别归于Er 3+的2H 11/2ң4I 15/2㊁4S 3/2ң4I 15/2跃迁㊂另外,还有一个相对较弱的以670nm 为中心波长的红色发射峰,其来源于Er 3+的4F 9/2ң4I 15/2跃迁㊂这些结果与Er 3+掺杂的其他发光材料相似㊂结果表明,在室温下通过NBT-CTʒx Er 3+无铅压电陶瓷可以实现红外光泵浦,以及在可见光波段上的强上转换绿色和红色光发射㊂在NBT-CTʒx Er 3+陶瓷中Er 3+的上转换发光机制类似于BCZTʒEr 3+[17]㊂从图3(b)可以看出,上转换绿光发射强度远高于红光发射强度㊂图3㊀(a)NBT-CTʒx Er 3+陶瓷的上转换发射光谱(λex =980nm);(b)发射强度随Er 3+掺杂浓度的变化Fig.3㊀(a)Up-conversion photoluminescence spectra of NBT-CTʒx Er 3+ceramics (λex =980nm);(b)emission intensity as a function of Er 3+concentration2.3㊀NBT-CTʒEr 3+/Yb 3+陶瓷样品的上转换发光性能为了研究Yb 3+掺杂对NBT-CTʒ0.01Er 3+陶瓷样品上转换发光性能的影响,在室温下使用荧光光谱仪对NBT-CTʒ0.010Er 3+和NBT-CTʒ0.010Er 3+/0.010Yb 3+样品的发射光谱进行测试,结果如图4所示㊂在波长为980nm 的近红外光激发下,Er 3+/Yb 3+共掺和Er 3+单掺NBT-CT 基质的上转换发射特征峰的形状和峰位几乎一致,说明NBT-CTʒ0.010Er 3+/0.010Yb 3+样品的发射光谱仍来自Er 3+的能级跃迁辐射,但上转换发射光㊀第1期马春林等:Er 3+单掺与Er 3+/Yb 3+共掺NBT-CT 无铅压电陶瓷的上转换发光性能研究141㊀强度显著增强,即以530nm㊁546nm 和670nm 为中心波长的特征峰的发光强度分别增强了约2.97倍㊁2.89倍㊁3.51倍,这是由于作为敏化剂的Yb 3+对近红外光980nm 的有效吸收,增强了Er 3+对980nm 近红外光激发所产生的上转换发光强度㊂图4㊀Er 3+单掺和Er 3+/Yb 3+共掺NBT-CT陶瓷的上转换发射光谱图Fig.4㊀Up-conversion photoluminescence spectra of Er 3+doped and Er 3+/Yb 3+co-doped NBT-CTceramics 图5㊀简单的Er 3+/Yb 3+能级示意图和能量转移过程Fig.5㊀Schematic energy-level diagram and the energy transfer process of Er 3+/Yb 3+㊀㊀为了理解Er 3+/Yb 3+共掺NBT-CT 陶瓷基质的上转换发光过程,图5给出了Er 3+/Yb 3+的部分能级,以及980nm 近红外光激发下所产生的上转换发光机制中相关的能量转移过程㊂与Er 3+单掺相比较,Yb 3+对980nm 的近红外光子具有更大的吸收截面,占据主导地位,可以通过共振将能量高效地传递给Er 3+,使其向高能级跃迁,导致其跃迁辐射增强,所以掺杂Yb 3+可以起到敏化作用,增强Er 3+的上转换发光强度[18]㊂这里忽略Er 3+的基态吸收(GSA)和激发态吸收(ESA)㊂图6㊀980nm 激发下,陶瓷样品NBT-CTʒ0.010Er 3+和NBT-CTʒ0.010Er 3+/0.010Yb 3+的CIE 色度图Fig.6㊀CIE chromaticity coordinates of the NBT-CTʒ0.010Er 3+and NBT-CTʒ0.010Er 3+/0.010Yb 3+ceramics under 980nm excitation 由图5可知,在980nm 的近红外光激发下,Yb 3+首先吸收入射的光子,从基态能级2F 7/2跃迁到能级2F 5/2,然后再返回基态,由于Yb 3+的发射和Er 3+的吸收之间在光谱上存在重叠,将发生能量传递,即ET 1ʒ2F 5/2(Yb 3+)+4I 15/2(Er 3+)ң2F 7/2(Yb 3+)+4I 11/2(Er 3+),Er 3+从基态4I 15/2跃迁至4I 11/2㊂随后从Yb 3+到Er 3+通过连续的能量转移过程ET 2ʒ2F 5/2(Yb 3+)+4I 11/2(Er 3+)ң2F 7/2(Yb 3+)+4F 7/2(Er 3+),使得布局于能级4I 11/2的部分电子跃迁到激发态能级4F 7/2㊂然后,布局于能级4F 7/2的电子达到亚稳态饱和并以无辐射弛豫的方式回到能级2H 11/2和4S 3/2㊂最后由于2H 11/2ң4I 15/2和4S 3/2ң4I 15/2之间的辐射跃迁,产生了以530nm 和546nm 为发光中心的绿色光发射㊂与绿色发射光相比较,红光能级4F 9/2的电子由两种途径产生㊂第一种是来源于上能级4S 3/2的电子直接通过无辐射弛豫过程跃迁到能级4F 9/2㊂另外,能级4I 11/2上的电子不仅可以被激发到能级4F 7/2,而且还可以无辐射跃迁到能级4I 13/2㊂下能级4I 13/2上的电子再次通过能量传递过程ET 3ʒ2F 5/2(Yb 3+)+4I 13/2(Er 3+)ң2F 7/2(Yb 3+)+4F 9/2(Er 3+)吸收Yb 3+的能量跃迁至能级4F 9/2㊂通过这两种方法,出现了由4F 9/2ң4I 15/2跃迁所产生的红色光发射㊂2.4㊀色坐标为了进一步确定NBT-CTʒ0.010Er 3+和NBT-CTʒ0.010Er 3+/0.010Yb 3+陶瓷样品发射可见光的颜色,在波长为980nm 的近红外光激发下,依据各自的发射光谱,通过CIE1931色坐标计算软件得到它们的色度坐标如图6所示㊂其中,NBT-CTʒ0.010Er 3+样品的CIE 坐标值为(0.2727,0.7122),NBT-CTʒ0.010Er 3+/0.010Yb 3+样品的CIE 坐标值为(0.2853,0.7026),均位于CIE1931色度图中绿色光区域㊂因此,NBT-CTʒ142㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第50卷0.010Er3+和NBT-CTʒ0.010Er3+/0.010Yb3+可以有效地被980nm近红外激发而上转换发射出绿光,在白光LED领域具有潜在的应用前景㊂3㊀结㊀㊀论(1)采用固相烧结法成功地合成了Er3+单掺和Er3+/Yb3+共掺NBT-CT无铅压电陶瓷,样品的主晶相为NBT晶相,在XRD分辨率内未检测出次级晶相;(2)Er3+单掺和Er3+/Yb3+共掺NBT-CT系列样品可以被980nm近红外光有效地激发,可上转换发射出为以530nm㊁546nm㊁670nm为中心波长的绿光和红光,且绿光强度大于红光强度,在白光LED领域存在潜在的应用;(3)在NBT-CTʒx Er3+(x=0.002,0.004,0.006,0.008,0.010,0.015)样品中,NBT-CTʒ0.010Er3+样品的发光性能最好,说明通过调整RE离子的掺杂浓度可以调控NBT-CTʒx Er3+陶瓷体系的上转换发光性能; (4)通过Er3+单掺和Er3+/Yb3+共掺NBT-CT样品的发射光谱进行对比,得出荧光发射光谱的特征峰均来自激活剂Er3+,Yb3+只起到敏化作用,可有效增强Er3+的上转换发光强度㊂参考文献[1]㊀HUANG W H,HE S,HAO A Z,et al.Structural phase transition,electrical and photoluminescent properties of Pr3+-doped(1-x)Na0.5Bi0.5TiO3-x SrTiO3lead-free ferroelectric thin films[J].Journal of the European Ceramic Society,2018,38(5):2328-2334.[2]㊀DU P,LUO L H,LI W P,et al.Photoluminescence and electrical performance of smart material:Pr-doped(1-x)(Na0.5Bi0.5)TiO3-x CaTiO3ceramics[J].Journal of Alloys and Compounds,2013,551:219-223.[3]㊀MISHRA A,KHATUA D K,DE A,et al.Off-stoichiometry,structural-polar disorder and piezoelectricity enhancement in pre-MPB lead-freeNa0.5Bi0.5TiO3-BaTiO3piezoceramic[J].Journal of Applied Physics,2019,125(21):214101.[4]㊀ADHIKARY G D,KHATUA D K,SENYSHYN A,et al.Long-period structural modulation on the global length scale as the characteristic featureof the morphotropic phase boundaries in the Na0.5Bi0.5TiO3based lead-free piezoelectrics[J].Acta Materialia,2019,164:749-760. [5]㊀XIA X,JIANG X P,CHEN C,et al.Enhanced piezoelectric performance and orange-red emission of Sm3+doped(Na1/2Bi1/2)TiO3based lead-free ceramics[J].Ceramics International,2017,43(1):376-384.[6]㊀ZHANG Q W,CHEN K,WANG L L,et al.A highly efficient,orange light-emitting(K0.5Na0.5)NbO3ʒSm3+/Zr4+lead-free piezoelectricmaterial with superior water resistance behavior[J].Journal of Materials Chemistry C,2015,3(20):5275-5284.[7]㊀CHEN S,WU M J,AN L Q,et al.Strong green and red upconversion emission in Er3+-doped Na1/2Bi1/2TiO3ceramics[J].Journal of theAmerican Ceramic Society,2007,90(2):664-666.[8]㊀LIU M L,LEI F Y,JIANG N,et al.Enhanced piezoelectricity,bright up-conversion and down-conversion photoluminescence in Er3+doped0.94(BiNa)0.5TiO3-0.06BaTiO3multifunctional ceramics[J].Materials Research Bulletin,2016,74:62-69.[9]㊀Ma C L,Wang X Y,Tan W S,et al.Enhanced photoluminescence and ferro/piezoelectric performance in piezo-luminescent materials withoutstanding water resistance and thermal stability[J].Dalton transactions,2020,49(17):5581-5589.[10]㊀REN Y T,YANG Z W,LI M J,et al.Upconversion luminescence modification induced near infrared luminescence enhancement of Bi2Ti2O7ʒYb3+,Er3+inverse opals[J].Journal of Luminescence,2019,208:150-154.[11]㊀LIN C,WU X,LIN M,et al.Optical,luminescent and optical temperature sensing properties of(K0.5Na0.5)NbO3-ErBiO3transparent ceramics[J].Journal of Alloys and Compounds,2017,706:156-163.[12]㊀KHATUA D K,AGARWAL A,KUMAR N,et al.Probing local structure of the morphotropic phase boundary composition of Na0.5Bi0.5TiO3-BaTiO3using rare-earth photoluminescence as a technique[J].Acta Materialia,2018,145:429-436.[13]㊀SCHLAGHECKEN G,GOTTMANN J,KREUTZ E W,et al.Pulsed laser deposition of ErʒBaTiO3for planar waveguides[J].Applied PhysicsA,2004,79(4/5/6):1255-1257.[14]㊀AUZEL F.Upconversion and anti-stokes processes with f and d ions in solids[J].ChemInform,2004,35(16):no.[15]㊀YU X C,SONG F,WANG W T,et parison of optical parameters and luminescence between Er3+/Yb3+codoped phosphate glassceramics and precursor glasses[J].Journal of Applied Physics,2009,104(11):113105.[16]㊀SHANNON R D.Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides[J].ActaCrystallographica Section A,1976,32(5):751-767.[17]㊀马春林,周㊀越,翟章印,等.Er3+掺杂0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3压电陶瓷的性能研究[J].淮阴师范学院学报(自然科学版),2019,18(3):228-232.MA C L,ZHOU Y,ZHAI Z Y,et al.Properties of Er3+doped0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3piezoelectric ceramics[J].Journal of Huaiyin Teachers College(Natural Science Edition),2019,18(3):228-232(in Chinese).[18]㊀ZHAO J,LU Z,YIN Y,et al.Upconversion luminescence with tunable lifetime in NaYF4ʒYb,Er nanocrystals:role of nanocrystal size[J].Nanoscale,2013,5(3):944-952.。
Gd3+掺杂调控BiFeO3-BaTiO3高温无铅压电陶瓷的结构与性能

第 4 期第 43-53 页材料工程Vol.52Apr. 2024Journal of Materials EngineeringNo.4pp.43-53第 52 卷2024 年 4 月Gd 3+掺杂调控BiFeO 3-BaTiO 3高温无铅压电陶瓷的结构与性能Structures and properties of Gd 3+ doped modified BiFeO 3-BaTiO 3 high -temperature lead -free piezoelectric ceramics唐蓝馨1,王芳1,周治1,李双池1,左鑫1,李凌峰1,杨柳1,谭启2,陈渝1*(1 成都大学 机械工程学院,成都 610106;2 广东以色列理工学院材料科学与工程系,广东 汕头 515063)TANG Lanxin 1,WANG Fang 1,ZHOU Zhi 1,LI Shuangchi 1,ZUO Xin 1,LI Lingfeng 1,YANG Liu 1,TAN Daniel Q 2,CHEN Yu 1*(1 School of Mechanical Engineering ,Chengdu University ,Chengdu 610106,China ;2 Department of Materials Science and Engineering ,Guangdong Technion -Israel Institute of Technology ,Shantou 515063,Guangdong ,China )摘要:用于监测航空发动机、重型燃气轮机等重大技术装备高温部件振动状态的压电加速度传感器,需要一种高居里温度压电陶瓷作为敏感元件,而电子元器件的无铅化是环境保护的迫切要求。
采用传统的固相反应法制备一种Gd/Mn 共掺杂的BF -BT ((0.67BiFeO 3-0.33Ba 1-x Gd x TiO 3)+0.5%(质量分数)MnO 2,x =0~0.02)高温无铅压电陶瓷,并研究Gd 3+掺杂浓度(x )对BF -BT 陶瓷的相组成、微观结构、压电性能、介电弛豫行为及交流阻抗特征的影响。
镱激活的红外下转换材料和铋铕共掺氧化钆的制备及发光性质表征的开题报告
镱激活的红外下转换材料和铋铕共掺氧化钆的制备
及发光性质表征的开题报告
一、研究背景和意义
随着现代科技的飞速发展,人们对于光学和电子学等领域的研究需
求也越来越高。
红外(IR)光学在夜视、通信、医学及军事等方面的应
用占据了越来越大的市场份额。
然而,现有的红外转换材料在热管理和
发射效率等方面存在一定缺陷,因此寻找高效的红外下转换材料具有重
要的研究意义。
镱激活的红外下转换材料和铋铕共掺氧化钆是一种新型材料,其具
有高发射效率、较高的热稳定性以及优异的光学性能等特点,因此备受
关注。
本课题旨在研究该材料的制备方法以及其发光性质的表征,为其
在红外光学和电子学领域的应用提供支持。
二、研究内容和方法
1. 材料制备
采用溶胶-凝胶法制备镱激活的红外下转换材料和铋铕共掺氧化钆。
首先,采用化学淀积法合成出钆离子的前驱体;然而,铑、钆、氧化镱、铕、铋等不同离子粉末被混合在共溶剂中,加入稳定剂,并进行超声波
处理以形成均匀的溶胶。
接着,通过加热处理来使溶胶成为凝胶。
2. 显微结构和组成的表征
对制备出来的样品进行显微结构和组成的表征,使用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)。
3. 光学性能测试
使用荧光光谱仪对样品进行光谱测试,并分析样品的发射光强度和
发射光谱特性。
三、预期成果
通过以上研究方法,我们将得到具有良好性能的铸造紫外下转换材料和铋铕共掺氧化钆。
同时,我们还将建立有效的技术体系,为红外光学和电子学领域的相关研究提供技术支持。
Bi3+浓度对Y2O3基荧光粉发光性能的影响
第48卷第9期 2020年9月硅 酸 盐 学 报Vol. 48,No. 9 September ,2020JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY DOI :10.14062/j.issn.0454-5648.20190719Bi 3+浓度对Y 2O 3基荧光粉发光性能的影响李 倩1,张 彪1,史忠旗1,康永锋2(1. 西安交通大学材料科学与工程学院,金属材料强度国家重点实验室,西安 710049;2. 西安交通大学电子与信息工程学院,电子物理与器件教育部重点实验室,西安 710049)摘 要:采用高温固相法合成了Y 2O 3:x Bi 3+[x =0.05–1.00%(摩尔分数)]荧光粉,研究了Bi 3+掺杂浓度对荧光粉相组成、微观形貌及发光性能的影响。
结果表明:Bi 3+掺杂量增加会引起Y 2O 3基质晶格膨胀和晶胞体积增大;荧光粉呈等轴状颗粒形貌,且随着Bi 3+掺杂量的增加,粒径逐渐从250 nm 增加到600 nm 。
Y 2O 3:x Bi 3+荧光粉在波长为335 nm 的紫外光激发下,其发射光谱由370、410和483 nm 3个宽带发射组成。
370 nm 紫外光发射和410 nm 蓝光发射分别是由Bi 3+的S 6位点的3A u →1A g 和3E u →1A g 电子跃迁产生,483 nm 蓝绿光发射是由C 2位点的3B →1A 电子跃迁产生。
当Bi 3+掺杂浓度为0.25%时,荧光粉发光性能最优;掺杂量大于0.25%时,由于Bi 3+间的偶极–偶极相互作用,产生浓度猝灭现象。
所制备的Y 2O 3:0.25%Bi 3+荧光粉的色坐标为 (0.159 2、0.218 1),显色指数R a 为69.27,表明这种蓝绿色荧光粉在白光LED 领域具有良好应用前景。
关键词:氧化钇;蓝绿色;浓度猝灭;荧光粉中图分类号:TB32 文献标志码:A 文章编号:0454–5648(2020)09–1468–06 网络出版时间:2020–07–13Effect of Bi 3+ Concentration on Photoluminescence Properties of Y 2O 3:Bi 3+ PhosphorsLI Qian 1, ZHANG Biao 1, SHI Zhongqi 1, KANG Yongfeng 2(1. State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, School of Materials Science and Engineering,Xi'an Jiaotong University, Xi ′an 710049, China2. Key Laboratory for Physical Electronics and Devices of the Ministry of Education, Xi'an Jiaotong University, Xi ′an 710049, China)Abstract: Y 2O 3:x Bi 3+ (x =0.05–1.0% (mole fraction)) phosphors were synthesized by a solid-phase reaction route. Effect of Bi 3+ concentration on the phase composition, microstructure and photoluminescence (PL) performance was investigated. The results show that the lattice parameter and cell volume of Y 2O 3 host increase with the increase of Bi 3+ concentration. In addition, the phosphors are equiaxed grains, and the grain size increases gradually from 250 to 600 nm with the Bi 3+ concentration increasing. The emission spectra of Y 2O 3:Bi 3+ phosphors excited by ultraviolet light (λEX =335 nm) are composed of three broadband emission spectra centered at 370 nm, 410 nm and 483 nm. The ultraviolet-emission at 370 nm and blue-light emission at 410 nm appear due to 3A u →1A g and 3E u →1A g electron transitions of S 6 sites of Bi 3+, respectively. The blue-green emission at 483 nm occurs due to 3B →1A electron transition of C 2 sites of Bi 3+. The Y 2O 3:0.25%Bi 3+ phosphor shows the optimal PL performance. The concentration quenching occurs when Bi 3+ concentration is higher than 0.25% due to the dipole-dipole interaction between Bi 3+ ions. The color coordinate of Y 2O 3:0.25%Bi 3+ is (0.159 2, 0.218 1), and the color rendering index R a is 69.27, indicating that the as-synthesized blue-green phosphors have a broad application prospect in the field of white light-emitting diode.Keywords: yttrium oxide; blue-green; concentration quenching; phosphor白光发光二极管(LED)与传统的白炽灯和荧光灯相比,具有寿命长、环境友好、效率高等优点,被认为是下一代照明光源[1–3]。
X7R型BaTiO3基复相陶瓷的制备和表征
称取一定量的钛酸四丁酯于烧杯中,加入醋酸 和无水乙醇作为溶剂,在搅拌条件下分别加入醋酸 钡、醋酸钴、硝酸钕和H,[Nb(O:)。]溶液,采用溶胶 一凝胶法制备前驱体;将前驱体在900℃条件下煅 烧2 h,得到低温组元粉体(记为BTNCN)。
酸钡基(低温组元,记为BTcNC)复相陶瓷。研究了高低温组元比例对陶瓷相组成,微观结构和介电性能的影响。实验结果表
明,当高低元配比为O.83BT~0.17BTNCN时,加入0.25 wt%的助烧剂,所得复相陶瓷在l 200℃烧结6h后,其介电性能满足
)【7R标准。最大容温变化率小于13%。
关键词:x7R;BaTio,基复相陶瓷;助烧剂;介电性能
目前,X7R型复相陶瓷主要由钛酸钡系和铅系 复相陶瓷以及铅系弛豫类复相陶瓷组成【2 J,虽然这 两种复相陶瓷的介温稳定性较好,但由于材料中都
含有重金属铅,在生产和使用过程中,会造成环境污 染,因而已被严格限制使用。虽然采用BaTiO,和与 其居里温度不同的另外一相进行混合烧结可以实现 两相共存的复相陶瓷结构,以改善陶瓷材料的介电 温度稳定性【3 J,但由于BaTiO,基陶瓷的烧结温度很 高(大于1 300℃)M J,所以难以在低温下形成致密 的BaTiO,基复相陶瓷。在钛酸钡粉体中添加一定 量的助烧剂,不仅可以促进陶瓷的致密化烧结,而且 烧结时形成的液相能够浸润陶瓷颗粒,促进陶瓷烧 结过程中传质的进行,从而有利于降低BaTiO,基陶 瓷的烧结温度"J。因此,通过添加助烧剂。可以降 低陶瓷的烧结温度,在低温烧结时可以避免陶瓷中
MgO-Yb_(2)O_(3)-Ho_(2)O_(3)三元烧结助剂对氮化硅陶瓷结构及性能的影响
Vol. 43 No.
3
Jun. 2022
第43卷第
3期
2022年6月
Journal of Ceramics
DOI: 10.13957/j .cnki.tcxb.2022.03.010
Mg0-Yb203-Ho20
3
三元烧结助剂对氮化硅陶瓷结构及性能的影响
王建军-孙峰彳,庄英华1,廖圣俊1,姜常玺1,王再义彳,周立娟
1
(1.山东理工大学材料科学与工程学院,山东淄博255000; 2.中材高新氮化物陶瓷有限公司,山东淄博255000)
摘 要:采用气压烧结法,通过调整MgO-Yb2O3-Ho2O3中Yb2O3和HO2O3的添加比例
(0 wt.% - 6 wt.%),
研究三元烧
结助剂体系下HO2O3对氮化硅陶瓷XRD物相、显微结构以及导热性能的作用机理。研究结果表明:添加不同比例的
Ho2O3,陶瓷样品二次相的种类及结晶程度发生显著变化。随着HO2O3添加量的增加,P-Si3N4晶粒尺寸呈细化趋势,
进而使氮化硅陶瓷断裂强度增大,最大为(802±15) MPa;断裂韧性降低,
最大为
(7.62±0.12) MPa-m1/2o与Yb2O3
相比,
Ho2O
3
的加入更易形成玻璃相,
从而降低样品结晶度和热导率
。
关键词:MgO-Yb2O3-Ho2O3;三元添加剂;热导率;断裂韧性中图分类号:TQ174.75 文献标志码:A 文章编号
:
1000-2278(2022)03-0441-07
Effect of MgO-Yb
2O3-Ho2O3 Ternary Sintering Additives on Structure
and Properties of
Silicon Nitride
Ceramics
WANG Jianjun 7, SUN Feng 2, ZHUAN Yinghua 1, LIAO Shenjun [ JIANG Changxi7,
WANG Zaiyi2, ZHOULijuan 1
(1. School of Materials Science and Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255000,
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CLEO: /Pacific Rim 2009 ■ Shanghai, China ■ August 31 - September 3, 2009 Visible to Near Infrared Conversion in Ce3+-Yb3+ Co-doped YAG Ceramics
Jumpei Ueda, Setsuhisa Tanabe Graduate School of Human and Environmental Studies, Kyoto University, Yoshida-nihonmatsu-cho, Kyoto 606-8501, Japan E-mail: j.ueda@at3.ecs.kyoto-u.ac.jp
Abstract: The energy transfer from Ce3+ to Yb3+ in Ce3+-Yb3+:YAG(Y3Al5O12) ceramics was observed. While the energy transfer efficiency estimated from the lifetime was about 48%, the observed quantum yield of Yb3+ emission was about 11% upon Ce3+ excitation in the sample. Keywords: YAG, Ce3+, Yb3+, solar cell, down conversion, INTRODUCTION Inorganic compounds doped with rare earth ions are used for many luminescent devices such as optical amplifiers in telecommunication, phosphors for white LEDs and displays. Recently, they also have attracted a great interest for photovoltaic applications to improve solar cell efficiency by modifying solar spectrum. Crystalline silicon (c-Si) solar cells effectively convert only photons of energy close to the semiconductor band gap. The mismatch between the incident solar spectrum and the spectral response of solar cells is one of the main reason to limit the cell efficiency. The efficiency limit of the c-Si was estimated to be 29% by W. Shockley and H. J. Queisser[1]. However, this limit is estimated to be improved up to 38.4 % by modifying the solar spectrum by a quantum-cutting phosphor which converts one photon of high energy into two photons of lower energy [2]. In the materials co-doped with Pr3+-Yb3+, Tb3+-Yb3+, or Tm3+-Yb3+, down conversion from visible photon shorter than 500 nm to two infrared photons has been reported[3][4][5]. The Yb3+ ion is suitable as an acceptor and emitter because luminescent quantum efficiency of Yb3+ is close to 100 % and the energy of the only excited level of Yb3+ (~1.2eV) is roughly in accordance with the Si band gap (~1.1eV). However, absorption transitions of Pr3+, Tb3+ and Tm3+ as a donor are forbidden f-f transitions. Therefore, the absorption line-width and cross sections are not so wide and high, respectively. On the other hand, optical transitions of Ce3+ in the UV to visible regions are allowed f-d transitions. As a results the absorption line-width and absorption cross sections are wide and high, respectively. In addition, the Ce3+-doped Y3Al5O12 (YAG), used as a phosphor for white LED, has broad absorption bands in the range of 300~500 nm due to strong ligand field and high luminescent quantum efficiency. Therefore, the Ce3+ ions in the YAG can be suitable as an excellent sensitizing donor for down conversion materials. In this study, Ce3+-Yb3+-codoped YAG ceramics were prepared by solid-state reaction. And the energy transfer (ET) including down conversion mechanism in Ce3+-Yb3+ co-doped YAG ceramics have been evaluated by the photo luminescence (PL), the photo luminescence excitation (PLE), the lifetime and the quantum yield (QY) under visible excitation.
EXPERIMENT YAG ceramics with composition of (Ce0.005YbxY0.995-x)3Al5O12 (x=0, 0.005, 0.02, 0.05, 0.10) were prepared by using reagent grade Y2O3 ,Al2O3, CeO2, Yb2O3 as starting materials. The powders were mixed well with TEOS
(0.5 wt%) in an alumina mortar, pressed into a pellet of 20mm-diameter and sintered at 1600 °C for 6 h. The crystal phases of obtained samples were identified by a X-ray diffraction (XRD) measurement (Shimadzu, XRD6000). For the PL spectra, samples were excited by using 450nm light that was obtained by combining a band pass filter and a 300W Xe lamp (Asahi Spectra, MAX-302). The luminescence spectra were measured with a monochromator (Nikon, G250) and a Si photodiode. In the PLE spectra measurement monitoring nearinfrared luminescence, the luminescence was detected by combining an 850nm short cut filter and an InGaAs photodiode. Samples were excited by monochromatic light obtained by combining the 300W Xe lamp(350~800 nm) and the monochromator. For the PLE spectra monitoring visible luminescence, a fluorescence spectrophotometer (Shimadzu, RF-5000) was used. For the luminescent decay measurement, samples were excited by using a 466nm dye (Exciton, LD466) laser with nitrogen laser pulse excitation. The decay curves of fluorescence at 550 nm were detected by a high-speed Si-photodiode and averaged on a digital oscilloscope. The lifetime was obtained by fitting to the decay curve as exponential functions and the ET efficiency was estimated from lifetime. For the QY measurement, the PL spectra were measured under the 440nm LD excitation (NICHIA, NDHB510APA) by using an integrating sphere (Labsphere, CLS-600) which was connected to CCD detectors (Ocean Optics, USB2000) (Ocean Optics, NIR-512) with an optical fiber of 1mm-core. The obtained PL spectra were calibrated by using a standard halogen lamp (Labsphere, OGL-600) and an auxiliary lamp (Labsphere, AUX-30), and then the total radiant flux and photon distribution were obtained. The QY was evaluated as the ratio of the emission photon number to the absorption photon number.