Er3+/Tm3+掺杂上转换纳米材料的制备和发光机制研究

作     者：敖韵琪 

作者单位：辽宁大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王绩伟

授予年度：2020年

学科分类：07[理学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0702[理学-物理学] 

主      题：稀土材料 上转换发光 能量传递 

摘      要：随着科学技术的发展,越来越多的人们投入到上转换纳米发光材料的制备及发光性质的研究当中。上转换发光材料拥有独特的反斯托克斯位移发光,产生的发射光谱带宽,发射强度大,结构稳定,穿透力强,对生物组织细胞无杀伤力以及自发背景荧光弱等优点,上转换纳米发光材料经常被应用于显示,生物医学分析检测技术、生物治疗等诸多领域。本论文以ScZrO和β-NaErF分别作为基质材料,使用水热法制备出了稀土三掺的ScZrO、掺杂处理的β-NaErF以及β-NaErF和硫氮掺杂CDs的复合材料,对上述纳米材料的形貌结构、发光性质和能量传递等进行了深入研究,有以下主要结果:(1)以氧化钪、硝酸锆和所需掺杂的稀土氧化物为原料,在一定的水热条件下通过煅烧得到ScZrO纳米发光材料,制备出的纳米材料经XRD测试显示结晶性良好。在980nm的激光激发下,制备的稀土掺杂ScZrO纳米发光材料具备良好的蓝光及绿光上转换发射,在Tm:Er:Yb稀土掺杂比例为1.5%:2%:10%时,发光效果最佳,分析了样品的发射光谱及功率密度的关系,并探究了其能量传递机制,确定了ScZrO:2%Er,10%Yb,1.5%Tm样品的蓝光上转换发射是一个三光子过程,绿光和红光上转换发射都是两光子过程。利用Sc4Zr3O12纳米材料铥离子的G4(a)与G4(b)能级和铒离子的H11/2与S3/2能级两对热耦合能级,研究了荧光强度、灵敏度随温度的变化关系,发光离子Tm的灵敏度在373K时最大,为4.16×10K,发光离子Er的灵敏度在573K时达到最大,为3.47×10K,同时进行了稳定性测试,说明已经成功制备出能够在高温区和低温区都具有高灵敏度、高稳定性的荧光温度传感材料。(2)以油酸为络合剂,水热法制备了Mn/Tm掺杂β-NaErF纳米发光材料。经过XRD测试发现在Mn掺杂较少时能够生成结晶度高的六角相纳米颗粒,比例为10%时,红绿比由纯β-NaErF的0.7增加为3.9,绿光强度基本不变,红光强度增强6倍多。在此基础上,通过一系列的Tm掺杂,其红绿比先增大后减小。由此可见,Mn/Tm共掺的β-NaErF与纯的β-NaErF相比,不仅发光强度增加,红绿比也增大,红光占比更高。这种近似红光发射的纳米材料在生物成像以及检测方面有着更大的应用前景。(3)以柠檬酸和硫脲为原料,分散于一定量的丙酮得到前驱体溶液,水热后得到硫氮共掺的碳量子点。将硫氮共掺的碳量子点和β-NaErF复合,通过引入中间能级,从而能够使β-NaErF的发光增强。通过对纯β-NaErF进行一系列Tm掺杂,找出在Tm掺杂比例为2%时,发光强度是纯的β-NaErF的18.8倍。在此基础上,将所制备出的碳量子点和β-NaEr F:2%Tm进行复合,随着碳量子点的比例的提高,发光强度也得到增强,当加入的碳量子点为800μL时,红光强度是纯的β-NaErF的29.3倍,得到强烈的红色上转换发光,样品整体呈现出近单色的红光发射,在太阳能利用、生物成像、合成多功能的纳米探针等领域具有重大的应用前景。