上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料研究進(jìn)展與應(yīng)用

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1、上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料姓名：林碧婷學(xué)號(hào)：20102401072班級(jí)：10化一上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的合成上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的應(yīng)用進(jìn)展上轉(zhuǎn)換發(fā)光的影響因素上轉(zhuǎn)換發(fā)光的機(jī)理上轉(zhuǎn)換發(fā)光上轉(zhuǎn)換發(fā)光的過程形式上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的發(fā)展前景上轉(zhuǎn)換發(fā)光的機(jī)理上轉(zhuǎn)換發(fā)光是基于稀土元素4f電子間的躍遷,由于外殼層電子對(duì)4f電子的屏蔽作用,使得4f電子態(tài)之間的躍遷受基質(zhì)的影響很小,每種稀土離子都有其確定的能級(jí)位置,不同稀土離子的上轉(zhuǎn)換過程不同[3]上轉(zhuǎn)換發(fā)光是一種反-斯托克斯發(fā)光，由斯托克斯定律[1]而來。上轉(zhuǎn)換發(fā)光的機(jī)理斯托克斯定律：材料只能受到高能量的斯托克斯光激發(fā)，發(fā)出低能量的光。即，波長(zhǎng)短的頻率高的激發(fā)出波長(zhǎng)長(zhǎng)的頻率低的

2、光。比如紫外線激發(fā)發(fā)出可見光，或者藍(lán)光激發(fā)出黃色光，或者可見光激發(fā)出紅外線。上轉(zhuǎn)換發(fā)光的機(jī)理綜上所述，上轉(zhuǎn)換發(fā)光的機(jī)理：反-斯托克斯發(fā)光，在長(zhǎng)波長(zhǎng)光的激發(fā)下，可持續(xù)發(fā)射波長(zhǎng)比激發(fā)波長(zhǎng)短的熒光。即輻射的能量大于所吸收的能量。上轉(zhuǎn)換材料的合成研究表明,幾乎所有的稀土離子摻雜材料均可產(chǎn)生上轉(zhuǎn)換發(fā)光現(xiàn)象,但是真正有實(shí)用價(jià)值的上轉(zhuǎn)換發(fā)光一般都出現(xiàn)在聲子能量低的基質(zhì)材料中。因此,上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料對(duì)基質(zhì)成分有極大的依賴性。上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的基質(zhì)可以是非晶體,也可以是晶體。上轉(zhuǎn)換材料的合成上轉(zhuǎn)換合成的方法：1.高溫固相法合成法2.水熱合成法3.溶膠-凝膠法4.共沉淀法上轉(zhuǎn)換材料的合成（一）高溫固相法合成

3、法利用所需氧化物高純粉料,按化學(xué)計(jì)量比配料混合均勻,經(jīng)高溫煅燒后形成具有一定粒度的上轉(zhuǎn)換發(fā)光粉料[16]。是目前合成上轉(zhuǎn)換材料的主要方法之一。影響因素：溫度、壓力、反應(yīng)時(shí)間、添加劑上轉(zhuǎn)換材料的合成優(yōu)點(diǎn)：微晶的晶體質(zhì)量?jī)?yōu)良，表面缺陷少，發(fā)光效率高，操作簡(jiǎn)便，工藝成熟，便于進(jìn)行工業(yè)化。缺點(diǎn)：需要較高的溫度，材料容易被氧化，合成的粉體燒結(jié)性能不理想。應(yīng)用：合成眾多的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，如：碲酸鹽玻璃、ZBLAN玻璃、鉍酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、氧氯鉍鍺酸鹽玻璃等上轉(zhuǎn)換材料的合成（二）水熱合成法在水熱條件下，反應(yīng)物以各種配合物的形式進(jìn)行溶解。優(yōu)點(diǎn)：所需溫度低、生成過程容易控制、合成材料晶相好，物相均

4、勻，產(chǎn)率高。應(yīng)用：合成了多種上轉(zhuǎn)換材料：NaYF4：Ho3+、Tm3+、Yb3+，YLiF4：Er3+、Tm3+、Yb3+，KZnF3:Er3+、Yb3+等上轉(zhuǎn)換材料的合成（三）溶膠-凝膠法用含高化學(xué)活性組分的化合物前驅(qū)體,在液相下將這些原料均勻混合,并進(jìn)行水解、縮合反應(yīng),在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系。溶膠經(jīng)陳化膠粒間緩慢聚合,形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠,凝膠經(jīng)干燥、燒結(jié)得到所需產(chǎn)品[17]。是一種濕化學(xué)合成法。分類：水溶液溶膠-凝膠法、醇鹽溶液-凝膠法上轉(zhuǎn)換材料的合成水溶液溶膠-凝膠法、醇鹽溶液-凝膠法上轉(zhuǎn)換過程形式（四）共沉淀法又稱“化學(xué)沉積法”，以水溶性物質(zhì)為原料，通過液相化學(xué)反

5、應(yīng)，生成難溶物質(zhì)前驅(qū)化合物從水溶液中沉淀出來，經(jīng)過洗滌、過濾、煅燒熱分解而制得超細(xì)粉體發(fā)光材料。影響因素：溶液組成、濃度、溫度、時(shí)間等。上轉(zhuǎn)換過程形式優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單、流程短、能直接得到化學(xué)成分均一的粉體材料，可精確控制粒子的成核和長(zhǎng)大，得到粒度可控、分散性較好的粉體材料缺點(diǎn)：影響因素多、形成分散粒子的條件苛刻、沉淀劑容易作為雜質(zhì)混入沉淀物、各成分分離困難、沉淀劑不溶于水、對(duì)多組分制備有一定的局限性等。上轉(zhuǎn)換過程形式應(yīng)用：a、以氨水為沉淀劑，制備出性能良好的Er3+：Y2O3上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粉。b、以EDTA為螯合劑，合成納米級(jí)Ho3+、Yb3+共摻雜的NaYF4上轉(zhuǎn)換熒光材料。c、以分

6、子束外延法，在CaF2的基片上形成摻有Er3+的LaF3薄膜。上轉(zhuǎn)換過程形式（一）激發(fā)態(tài)吸收(ESA)基態(tài)能級(jí)E1上的離子吸收能量Ф1的光子躍遷至亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)E2。另一個(gè)光子的振動(dòng)能量Ф2正好與E2能級(jí)和更高激發(fā)態(tài)能級(jí)E3的能量間隔匹配,則E2能級(jí)上的離子吸收光子能量躍遷至E3能級(jí)形成雙光子吸收。如果能量匹配,E3能級(jí)上的離子向更高的激發(fā)態(tài)能級(jí)躍遷而形成三光子、四光子吸收。只要高能級(jí)上粒子數(shù)足夠多,形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn),就可實(shí)現(xiàn)較高頻率的激光發(fā)射,出現(xiàn)上轉(zhuǎn)換發(fā)光[2,5,6]。上轉(zhuǎn)換過程形式（二）能量轉(zhuǎn)移(ET,EnergyTransfer)1）連續(xù)能量轉(zhuǎn)移(SET[2])——一般發(fā)生在不同

7、類型離子之間。原理如圖1-2:激發(fā)態(tài)的施主離子與基態(tài)的受主離子滿足能量匹配的要求，發(fā)生相互作用,施主離子將能量傳遞給受主離子使其躍遷至激發(fā)態(tài)能級(jí),本身則通過無輻射馳豫的方式返回基態(tài)。激發(fā)態(tài)能級(jí)上的受主離子還可能第二次躍遷至更高的激發(fā)態(tài)能級(jí)。上轉(zhuǎn)換過程形式2）交叉馳豫(CR)——發(fā)生在相同或不同類型的離子之間。原理如圖1-3:位于同一激發(fā)態(tài)上的兩種類型離子,其中一個(gè)離子將能量傳遞給另外一個(gè)不同類型的離子，使其躍遷至更高能級(jí),而本身則無輻射馳豫至能量更低的能級(jí)