Yb3+/Tm3+共摻Y(jié)2（MoO4）3的上轉(zhuǎn)換發(fā)光

韓知燕+丁丁+沈吳建+楊方勇+方則棟

【摘 要】采用水熱法制備了Yb3+/Tm3+共摻Y(jié)2（MoO4）3系列上轉(zhuǎn)換發(fā)光粉。由于Tm3+在980nm附近沒有吸收，單摻Tm3+的樣品觀測不到任何發(fā)射。引入Yb3+后，借助Yb3+對980nm紅外光的吸收和Yb3+到Tm3+的能量傳遞，在可將光區(qū)觀察到源自Tm3+的藍(lán)光和紅光。這兩個(gè)波段的發(fā)射隨著Yb3+和Tm3+的濃度增加均呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的變化規(guī)律，8%和0.5%對應(yīng)Yb3+和Tm3+的最佳摻雜濃度。上轉(zhuǎn)換發(fā)射的功率關(guān)系研究表明，藍(lán)、紅光均為三光子過程，因此二者的產(chǎn)生過程為連續(xù)三步Y(jié)b3+到Tm3+的能量傳遞。

【關(guān)鍵詞】上轉(zhuǎn)換；Y2（MoO4）3；Yb3+/Tm3+共摻；藍(lán)光

0 引言

最近，由于Tm3+的480 nm藍(lán)光發(fā)射在光存儲(chǔ)和短波長激光器領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力越來越多的關(guān)注開始聚焦Tm3+摻雜的上轉(zhuǎn)換發(fā)光[1-3]。為了獲得高效的上轉(zhuǎn)換藍(lán)光發(fā)射，基質(zhì)晶格的選取以及摻雜劑濃度的優(yōu)化至關(guān)重要[4-6]。Y2（MoO4）3的聲子能大小適中，理論上非常適合Yb3+/Tm3+共摻這一類非共振能量傳遞系統(tǒng)的摻雜[7]。

本論文采用簡單的水熱法制備了Yb3+/Tm3+共摻Y(jié)2（MoO4）3上轉(zhuǎn)換發(fā)光粉，詳細(xì)研究了Yb3+和Tm3+濃度變化對上轉(zhuǎn)換發(fā)光的影響，并上轉(zhuǎn)換發(fā)射的功率關(guān)系討論了可能的上轉(zhuǎn)換發(fā)光原理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 Tm3+/ Yb3+共摻雜 Y2（MoO4）3的制備

簡單的共沉淀法用于制備 Tm3+/ Yb3+共摻雜 Y2（MoO4）3系列熒光粉。典型的工藝如下：按化學(xué)計(jì)量比稱取一定量的Y（NO3）3·6H2O、Yb（NO3）3·6H2O和Tm（NO3）3·6H2O，并溶解與15ml的去離子水中，配成溶液A。另稱取一定量的Na2（MoO4）3·2H2O制成40ml的水溶液，記為溶液B。溶液B在磁力攪拌情況下，迅速加入溶液A，待反應(yīng)30min后，離心收集并60°C干燥過夜。隨后于900℃焙燒1小時(shí)得到Tm3+/ Yb3+共摻雜 Y2（MoO4）3系列熒光粉。

1.2 發(fā)射光譜的檢測

F-4600分光光度計(jì)用于測量所有樣品的上轉(zhuǎn)換光譜，所用激發(fā)源為2W的光纖激光器，測試條件為室溫。

2 結(jié)果與討論

眾所周知，敏化劑Yb3+的濃度對Tm3+的上轉(zhuǎn)換發(fā)光有重要的影響，為了優(yōu)化材料化學(xué)組成，獲得Y2（MoO4）3晶格中的最佳Yb3+摻雜濃度，我們測試了Y2（MoO4）3： 0.5%Tm3+/ x%Yb3+（x=0%，2%，5%，8%，12%）的上轉(zhuǎn)換發(fā)光。結(jié)果如圖1所示，當(dāng)Yb3+濃度為0%時(shí)Tm3+并不發(fā)光，這主要因?yàn)門m3+在980nm附近沒有吸收。當(dāng)引入Yb3+離子后，我們觀察到Tm3+的特征發(fā)射，即源自1G4到3H6的藍(lán)光和1G4到3H4的紅光。而且，隨著Yb3+濃度的增加Tm3+的特征發(fā)射呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的變化規(guī)律。其中8%Yb3+為本實(shí)驗(yàn)的最佳摻雜濃度，在相同的測量條件下其它樣品的發(fā)射強(qiáng)度不足6000，而該樣品的發(fā)射強(qiáng)度已經(jīng)超出光譜儀的最大量程。另外，圖中在516～572nm波段觀察到微弱的綠光發(fā)射，通過與Y2（MoO4）3： Er3+/ Yb3+的特征發(fā)射進(jìn)行比對，這一波段的發(fā)射并不屬于Tm3+的特征發(fā)射，而源自原料中的微量雜質(zhì)Er3+的發(fā)光。

激活劑Tm3+濃度對自身的發(fā)光強(qiáng)度也有一定的影響，因此通過固定Yb3+濃度為8%，我們又測量了Y2（MoO4）3： y%Tm3+/ 8%Yb3+（y= 0.25%，0.5%，1%，1.5%，2%）在980nm輻射下的上轉(zhuǎn)換發(fā)光（圖1插圖）。很明顯，當(dāng)Tm3+濃度由0.25%增加到2%，Tm3+的特征發(fā)射先增強(qiáng)后減弱，最佳的摻雜濃度為0.5%。

為了理解Y2（MoO4）3： Tm3+/Yb3+的上轉(zhuǎn)換發(fā)光，我們結(jié)合不同泵浦功率下的上轉(zhuǎn)換光譜計(jì)算了Y2（MoO4）3：5%Tm3+/ 8%Yb3+的功率關(guān)系，結(jié)果顯示對應(yīng)1G4→3H6和1G4→3H4躍遷的藍(lán)、紅光的功率關(guān)系均為3。這意味著實(shí)現(xiàn)一個(gè)藍(lán)光或紅光光子的發(fā)射，需要吸收三個(gè)紅外光子。結(jié)合能量匹配原理，Yb3+到Tm3+的連續(xù)三步能量傳遞負(fù)責(zé)藍(lán)光和紅光的發(fā)射[7]。

圖1 Y2（MoO4）3： 0.5%Tm3+/ x%Yb3+（實(shí)線）和Y2（MoO4）3： Er3+/ Yb3+（虛線）的上轉(zhuǎn)換發(fā)光，x=0%，2%，5%，8%，12%， 圖中插圖：Y2（MoO4）3： y%Tm3+/ 8%Yb3+ （y=0.25%，0.5%，1%，1.5%，2%）的上轉(zhuǎn)換發(fā)光

3 結(jié)論

（1）單摻Tm3+的樣品在980 nm輻射下不產(chǎn)生任何Tm3+的特征發(fā)射。

（2）引入Yb3+后，可以觀察到源自Tm3+的藍(lán)光和紅光。并且隨著Yb3+的增加，藍(lán)光和紅光呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的變化，8%Yb3+為最佳摻雜濃度。

（3）當(dāng)Tm3+濃度由0.25%增加到2%時(shí)，Tm3+的特征發(fā)射也呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的變化，最佳摻雜濃度為0.5%。

（4）Yb3+到Tm3+的連續(xù)三步能量傳遞負(fù)責(zé)Tm3+的藍(lán)、紅光發(fā)射。

致謝

感謝湖州師范學(xué)院理學(xué)院龐濤老師的指導(dǎo)。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]