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1、基于 Dy3+掺杂的硼硅酸盐玻璃的多色荧光发射及调节 何万益 南京邮电大学通达学院 摘 要： 我们研究了 Dy3+掺杂 B2O3-SiO2-Na2O-SrF2硼硅酸盐玻璃的发光性质。紫外光激发下, Dy 3+的被激发到高能级的电子向低能级跃迁发射出可见光。同时采用 JO理论计算得到的辐射属性参数表明该玻璃基质具有较好的受激发射能力。引入Ce3+后, 不仅能通过 Ce3+Dy 3+的能量传递增强荧光发射强度, 而且能实现荧光发射的调节及白光发射, 表明该玻璃体系在白光 LED 领域具备潜在的应用。关键词： 电子跃迁; 可见光; 增强; 白光 LED; 1 引言Dy 的蓝、黄光这两个特征发射使得其
2、在光通信, 白光 LED 和太阳能电池等领域具备潜在的技术应用。由于 Dy 的黄光发射跃迁属于超敏跃迁, 很容易受到周围环境的影响。因此, 国内外学者在不断地研究 Dy 掺杂不同体系玻璃的光学属性。本文, 我们研究了 Dy 在 B2O3-Si O2-Na2O-Sr F2硼硅酸盐玻璃中的发光性质, 并通过计算辐射属性参数来评估 Dy 在该玻璃基质中的发光性能。尽管合适的基质环境会使 Dy 发出较强强度的黄光, 但 f-f 禁态跃迁引起的 Dy的较小的吸收截面使得黄光发射强度仍受到限制, 所以如何提高 Dy 的发射强度一直受到学者们的关注。本文基于能量传递的思想, 选择了 Ce 与 Dy 共掺,
3、研究了 Ce/Dy 共掺硼硅酸盐玻璃体系下的增强的蓝、黄光发射强度。由于稀土掺杂的发光玻璃具有发光均匀, 制备工艺简单, 良好的热稳定性和化学稳定性等特点, 所以稀土掺杂的发光玻璃具有成为白光 LED 用发光材料的潜力。Dy 的特征发射使其可以作为白光发射的激活剂, 而 Ce 又能够发射蓝光以作为补偿光与 Dy 的发射光复合成白光。于是, 我们研究了 Ce/Dy 共掺硼硅酸盐玻璃的荧光发射的调节, 并实现了白光发射。2 Dy 掺杂的硼硅酸盐玻璃的多色荧光发光性质图 1:20B2O3-50Si O2-20Na2O-10Sr F2-0.5Dy F3 的吸收光谱 下载原图图 2:20B2O3-50S
4、i O2-20Na2O-10Sr F2-x Dy F3 (x=0.1, 0.3, 0.5, 0.75) 的发射光谱 下载原图图 3:Ce 单掺玻璃的激发光谱 (em=395nm) 和发射光谱 (ex=327nm) 虚线:Dy 单掺玻璃的激发光谱 (em=575nm) 下载原图图 4:20B2O3-50Si O2-20Na2O-10Sr F2-x Dy F3-y Ce F3 (x=0.5;y=0, 0.1, 0.5, 0.75, 1) 的发射光谱 下载原图图 5:20B2O3-50Si O2-20Na2O-10Sr F2-x Dy F3-y Ce F3 的色坐标。 下载原图(a) x=0.5,
5、y=0; (b) x=0, y=0.5; (c) x=0.1, y=0.5; (d) x=0.3, y=0.5; (e) x=0.5, y=0.5.20B2O3-50Si O2-20Na2O-10Sr F2-0.5Dy F3玻璃的吸收光谱如图 1 所示, 位于347nm, 363nm, 385nm, 450nm, 795nm 和 888nm 处的吸收峰分别对应于基态H15/2到激发态 P7/2, P5/2, I13/2, G11/2, I15/2和 F9/2的跃迁。根据吸收光谱和 JO理论公式1, 2, 采用最小二乘法拟合出 JO 参数 t (t=2, 4, 6) , 分别是28.1310cm
6、, 1.4510cm, 1.4310cm。 2表明该基质中 Dy 离子周围具有高非对称性环境。光谱质量因子 x=4/6 是衡量玻璃基质受激发射能力的一个重要参数, 且在 0.42-1.92 范围内的基质适合用来作为激光材料。该玻璃基质的光谱质量因子是 1.01, 表明该玻璃基质具有较好的受激发射能力。不同 Dy 浓度掺杂的玻璃在 354nm 激发下的发射光谱如图 2 所示, 发射峰位于482nm, 575nm, 665 nm 处的蓝光, 黄光和红光分别对应于 F9/2到 H15/2, H13/2和H11/2的跃迁。发射光的强度随着 Dy 浓度的增大先增大后减小;增大是由于发光中心数量的增多,
7、减小是由于浓度猝灭。根据 JO 理论求得 0.5 Dy 掺杂玻璃的黄光发射的辐射属性参数:自发辐射跃迁几率 916.52, 荧光分支比 0.60, 和受激发射截面 33.1610cm。受激发射截面是评估光学材料能量效率的重要参数。该玻璃基质的受激发射截面大于 Na LTB 玻璃的 24.5510cm, LBTAF 玻璃的26.1310cm, 钡氟硼酸盐玻璃的 27.0410cm, 而且荧光分支比大于 0.5。这些参数表明该玻璃基质有潜力应用于激光材料。3 Ce 调节的增强的多色荧光发射强度Ce 单掺玻璃的激发光谱和发射光谱如图 3 所示。由图可见, Ce 的发射带与 Dy的激发带有较好的重叠,
8、 尤其是 Ce 位于 392nm 处的发射峰和 Dy 最强的激发峰相对应, 表明存在着 CeDy 能量传递的可能性。由于 Ce 在 327nm 处具有较强且较宽的激发带, 而 327nm 又是 Dy 的其中一个激发峰, 所以我们选择了 327nm作为激发波长。327nm 激发下的发射光谱如图 4 所示。由图可知, 引入 Ce 后, Dy 的蓝、黄光发射强度得到了明显的增强, 这表明 Ce 将部分能量传递给了Dy。Dy 的发射光强度在掺杂 0.5mol Ce 时达到最大。故在共掺 0.5 Dy/0.5Ce时的蓝、黄光发射强度达到最大。4 Ce 调节的色坐标基于我们所研究的硼硅酸盐玻璃基质中的 D
9、y 的蓝、黄光发射强度得知可以通过补偿蓝光来实现白光的发射, 而 Ce 正好能发射蓝光。于是, 我们分析了 Ce/Dy共掺体系的色坐标, 如图 5 所示。0.5 Dy 单掺体系的色度坐标为 (0.318, 0.373) 。0.5 Ce 单掺体系的色度坐标为 (0.173, 0.109) 。0.5 Dy/0.5Ce 共掺体系的色度坐标为 (0.308, 0.280) , 位于白光区域, 这是由于 Ce 的蓝光和Dy3+的蓝、黄光复合成了白光。5 总结我们研究了 Dy 单掺 B2O3-Si O2-Na2O-Sr F2硼硅酸盐玻璃的多色荧光发光性质。光谱质量因子, 荧光分支比和受激发射截面几个重要参
10、数表明该基质具有较强的黄光发射能力, 有潜力应用于激光材料。在 Dy/Ce 共掺玻璃体系中, Ce 不仅能通过能量传递增强 Dy 的荧光发射强度, 而且能调节色坐标使其位于白光区域, 由此表明 Ce/Dy 共掺玻璃体系在白光 LED 领域具备潜在的应用。参考文献1I.Arul Rayappan, K.Marimuthu, “Structural and luminescence behavior of the Er3+doped alkali fluoroborate glasses, ”J.Non-Cryst.Soilds, 367, 43-50 (2013) . 2Q.Zhang, J.D
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