不同形核剂和稀土离子掺杂的ZnO纳米晶透明微晶玻璃的制备和光学特性

作     者：雷微程 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗志伟

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：ZnO纳米晶 透明微晶玻璃 稀土离子掺杂 形核剂 

摘      要：透明微晶玻璃由于其具有高机械性能、耐磨耐腐蚀、优异的热稳定性和光学性能等优点,在光通信、显示和激光等光电材料领域拥有巨大的潜在应用价值。氧化锌(ZnO)作为直接带隙的宽禁带半导体,室温下禁带宽度大(3.37 e V),激子束缚能高(60 me V),并且在可见光波段具有优异的光学性能。本文通过熔体冷却法和后续的热处理制度制备了CeO、ZrO、TiO和TbO掺杂SiO-AlO-ZnO-KO-GaO体系含ZnO纳米晶的透明微晶玻璃,并系统地研究了微晶玻璃的热性能、相组成、微观形貌、透过率和光致发光等性能。主要研究结果如下:1、成功制备了CeO掺杂含ZnO纳米晶的透明微晶玻璃,并对其结构和光学性能进行了深入研究。研究结果表明,随着CeO含量的增加(0-1 mol%),玻璃稳定性呈现先增加后减小的趋势。微晶玻璃的主晶相均为ZnO晶体;通过减少晶化时间可以有效地减小ZnO晶体的晶粒尺寸并提高ZnO晶体的发射强度。在730℃/8 min的热处理条件下,所制备的透明微晶玻璃在可见光波段具有高的透过率(大于80%)。利用Ce离子的蓝色发射和ZnO晶体的黄色发射的组合,通过改变激发条件和CeO的含量,实现了暖白光、标准白光和冷白光之间的可调发光。2、研究了形核剂ZrO对ZnO纳米晶微晶玻璃的结构和性能的影响。研究结果表明,ZrO的引入具有降低玻璃析晶活化能的作用。在730℃/8 min的热处理条件下,制备的透明微晶玻璃在可见光范围内的透过率均大于80%。随着ZrO含量的增加(0-2.5 mol%),微晶玻璃中析出的ZnO晶粒尺寸不断减小,ZnO晶体的能隙宽度不断增大(3.26 e V-3.41 e V),属于ZnO晶体的缺陷发射(580 nm)强度呈现增加的趋势。当ZrO添加浓度为2.5 mol%时,在345 nm紫外光激发下,ZnO晶体的缺陷发射强度达到最高,约等于未添加微晶玻璃的21倍。3、研究了形核剂TiO和不同热处理制度对ZnO纳米晶透明微晶玻璃的结构和性能的影响。研究结果表明,TiO的引入可以有效的提高玻璃基质中非桥氧和相关缺陷的浓度。通过引入TiO作形核剂,在低于玻璃转变温度(T)条件下对玻璃进行热处理,有效地减少了ZnO晶体的平均晶粒尺寸。在630℃/8 h的热处理条件下(低于T温度50℃),制备的ZnO纳米晶的平均晶粒尺寸为～2.1 nm,非常接近其激子波尔半径。随着TiO含量的增加(0-3 mol%),基础玻璃的绿色发射和微晶玻璃的黄色发射均呈现先增加后降低的趋势;其中,当TiO的添加量为1.0 mol%时,基础玻璃和微晶玻璃的发射强度均达到最强,分别相当于未添加基础玻璃和微晶玻璃的10倍和5.4倍。4、在引入形核剂TiO的基础上,制备了TbO掺杂含ZnO纳米晶的透明微晶玻璃,并研究了Tb离子对微晶玻璃的结构和性能的影响。研究结果表明,随着TbO含量的增加(0-0.1 mol%),基础玻璃的网络结构稳定性呈现增强的趋势。在低于T温度下(630℃/8 h)制备的透明微晶玻璃在可见光波段的透过率均大于60%。在监测波长为542 nm条件下,由于结合了ZnO晶体和Tb离子的激发峰,微晶玻璃的激发光谱呈现超宽激发峰。当激发波长为280 nm和330 nm时,不仅可以得ZnO晶体的缺陷发射峰,还得到了Tb离子的特征发射峰。当激发波长为378 nm时,只得到明显的Tb离子的特征峰发射。综上所述,形核剂ZrO和TiO作为玻璃网络中间体的形式引入,有效地促进了ZnO晶体的非均匀形核,降低了ZnO晶体的平均晶粒尺寸,提高了ZnO晶体的缺陷发光。稀土CeO和TbO作为玻璃网络修饰体的形式引入,利用其自身的发光特性,结合ZnO晶体的缺陷发光,实现了微晶玻璃的可调发光。所制备的ZnO纳米晶透明微晶玻璃在光功能材料领域有着较广阔的潜在应用前景。图47幅,表13个,参考文献124篇