Y2O3:Yb3+/Er3+纳米片的制备及其上转发光性能研究

王 伟

(克拉玛依职业技术学院，新疆 独山子 833699)



Y2O3:Yb3+/Er3+纳米片的制备及其上转发光性能研究

王 伟

(克拉玛依职业技术学院，新疆 独山子 833699)

采用共沉淀法制备了Yb3+/Er3+共掺的Y2O3上转换荧光材料，利用X-射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、荧光光谱仪(以980 nm激光器作为光源)对合成样品的结构、形貌、发光性能进行了表征。分析结果表明：所制备的样品物相与Y2O3基质的物相基本一致；在扫描电子显微镜观察下，Y2O3:Yb3+/Er3+呈片状；当用980 nm激光激发样品时，可以观测到波长位于525 nm、550 nm处的绿色发射和波长位于660 nm处的红色发射光谱，分别对应于Er3+的2H11/2，4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2特征跃迁。

Y2O3；上转换；Yb3+/Er3+共掺

上转换发光材料能够通过多光子机制将能量低的长波辐射转化为能量高的短波辐射。是一种反斯托克斯(anti-Stokes)过程[1]。在基质材料中，Y2O3具有优良的耐热、耐腐蚀和高温稳定性等优点，且由于其较大的导带到价带的带隙能够容纳大多数三价稀土离子的发射能级，从而实现不同的发光过程[2-3]；同时Y2O3粉末较氟化物声子能量较低(最大声子能量约为600 cm-1)，这使其能够降低能级之间的无辐射跃迁几率，从而提高上转换的发光效率。稀土离子中的Er3+对位于红外区的特定波长的光具有较强吸收能力，且其绿光辐射具有较高的猝灭浓度，因此，Er3+是实现红外光到可见光上转换的重要激活剂；Yb3+能级与泵浦源波长的高匹配性及长激发态寿命等特点，可作为优良的敏化离子提高上转换效率。所以Yb3+和Er3+共掺可获得上转换效率较高的材料。本文通过共沉淀法制备了Yb3+/Er3+共掺杂Y2O3上转换发光材料，分析和讨论了样品的物相、表面形貌和上转换发光性质。

1 实 验

1.1 实验试剂

本试验中使用的试剂Y2O3、Yb2O3、Er2O3纯度均为99.99%；HNO3、NaOH、HO(CH2CH2O)nH均为分析纯；H2O为去离子水。

1.2 实验过程

采用共沉法制备了Y2O3:Yb3+/Er3+荧光粉。按照化学计量比称重Y2O3、Yb2O3、Er2O3，用适量浓HNO3溶解稀土氧化物，加热配成一定浓度的稀土硝酸盐溶液，向混合溶液中加入HO(CH2CH2O)nH，然后用NaOH溶液调节溶液的pH值约为9.0。在80 ℃下恒温反应2 h，将得到的沉淀洗涤后置于烘箱中120 ℃下干燥4 h，将样品转移到马弗炉中800 ℃灼烧6 h，随炉冷却，经研磨得到Y2O3:Yb3+/Er3+粉末样品。

1.3 表征仪器

采用Rigaku D/Max-3C型X-射线粉末衍射仪对产物进行物相分析。测试条件为：CuKα辐射 (λ=1.54056 Å)，电压为40 kV，电流为30 mA，扫描速度为8 °/min，步长为0.02°。采用Hitachi F-4600荧光分光光度计测试样品的上转换发射光谱。测试条件为：激发光源为980 nm激光器。波长范围为450～700 nm，扫描速度为240 nm/s。采用FEI Quanta 200型扫描电子显微镜对样品进行形貌以及微观结构观察。

2 结果与讨论

2.1 样品Y2O3:Yb3+/Er3+的物相分析

通常情况下，材料的发光性能在很大程度上取决于掺杂后材料的物相，掺杂后材料的物相与基质材料物相一致，说明稀土离子进入了晶格内部，材料具有较好的发光性能，因此，我们首先测定和讨论了所合成材料的物相。

图1 Y2O3:Yb3+/Er3+的X-射线衍射图

2.2 样品Y2O3:Yb3+/Er3+的形貌分析

图2 Y2O3:0.180Yb3+/0.020Er3+(a)和 Y2O3:0.200Yb3+/0.025Er3+(b)的扫描电镜图

样品的尺寸和形貌对其发光性能有一定的影响，因此，利用SEM观察了所制备样品的尺寸和形貌。图2是样品Y2O3:Yb3+/Er3+的扫描电镜图片，由图2可见，通过共沉淀法制备的Y2O3:0.180Yb3+/0.020Er3+和Y2O3:0.200Yb3+/0.025Er3+呈纳米片状，片的厚度约为10 nm，形状规则，分布均匀，由此可以推测样品具有较好的发光性能。样品有轻微的团聚现象，可能是由于产物的颗粒小、表面能大，或者是焙烧过程中的局部温度过高而引起的[4]。

2.3 样品Y2O3:Yb3+/Er3+的上转化发光性质分析

众所周知，上转换发光是指材料吸收长波辐射出短波的现象，或将红外辐射转变成可见光的现象。本实验采用波长为980 nm激光器作为激发光源来实现上转换发光。因为980 nm激发光子的能量与 Yb3+从基态2F7/2到激发态2F5/2的基态吸收相共振，而与Er3+从基态到任何激发态的吸收过程都不匹配，所以在本实验中，Yb3+作为敏化剂来吸收光源能量，Er3+作为激活剂产生上转换发光。

图3 Y2O3:Yb3+/Er3+的上转换光谱图

Y2O3:Yb3+/Er3+的上转换光谱如图3所示，由图3可见，样品Y2O3:0.180Yb3+/0.020Er3+和Y2O3:0.200Yb3+/0.025Er3+上转换光谱由位于525 nm和550 nm处的绿色发射和位于660 nm处的红色发射组成，分别对应于Er3+的2H11/2，4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2跃迁。样品Y2O3:0.180Yb3+/0.020Er3+和Y2O3:0.200Yb3+/0.025Er3+的红绿比相差较大，其红绿比分别为3:10和2:1。其次，Y2O3:Yb3+/Er3+的上转换光谱中，绿色发射和红色发射对应的辐射跃迁有明显的能级劈裂现象，这可能是由于基质Y2O3的晶体场强度较大而引起的[5]。

3 结 论

本文通过共沉淀法制备了Y2O3:Yb3+/Er3+上转换发光材料，利用X-射线衍射仪、上转换光谱、扫描电子显微镜分析和讨论了样品的结构特点、发光性能及形貌特点。分析结果表明，所合成的上转换发光材料Y2O3:Yb3+/Er3+均为纯相，样品的表面形貌为纳米片状，样品具有较优异的上转化发光性能。样品Y2O3:0.180Yb3+/0.020Er3+和Y2O3:0.200Yb3+/0.025Er3+的红绿比相差较大，其原因还需进一步研究。

[1] 王伟. 稀土上转换发光材料的研究与应用[J].广州化工,2014,42(11):32-34.

[2] Ye Yanxi, Liu Enzhou, Hu Xiaoyun, et al. Preparation and luminescence properties of YO:Er/TiO with high specific surface area[J]. Chinese Science Bulletin,2011,56(25):2668-2673.

[3] Ji Ruonan, Ye Yanxi, Hu Xiaoyun, et al. The green-emitting fluorescence of nano Y2O3:Er3+under different excitations [J]. Science Chinese,2012,55(7):1152-1157.

[4] 翟永清,杨国忠,刘宇,等.新型红色荧光粉SrO·Y2O3:Eu的合成及其发光性能研究[J].光谱学与光谱分析,2008,28(003):522-526.[5] 郑龙江,高晓阳,刘海龙,等.980 nm LD泵浦Er3+/Yb3+共掺Y2O3纳米粉所致热效应的研究[J]. 光谱学与光谱分析,2013,33(1):151-154.

Preparation and Luminescence Properties of Y2O3:Yb3+/Er3+

WANGWei

(Karamay Vocational & Technical College, Xinjiang Dushanzi 833699, China)

Yb3+and Er3+co-doped Y2O3were synthesized by co-precipitation method. The structures detected by X-ray powder diffraction and the surface morphology of phosphors were characterized by scanning electron microscopy, up-conversion luminescent properties of phosphors were characterized by Hitachi F-4600 fluorescence spectrometer which were pumped by 980 nm laser diode. The results showed that the structures of phosphors were consistent to Y2O3, under the detected of scanning electron microscopy, Y2O3:Yb3+/Er3+present flake, under 980 nm excitation, green and red emissions centered at 525, 550 and 656 nm were observed, which were ascribed to2H11/2,4S3/2→4I15/2and4F9/2→4I15/2transition of Er3+.

Y2O3; up-conversion; Yb3+/Er3+co-doped

王伟(1984- )，女，讲师，主要研究方向为稀土发光材料。

TB321

A

1001-9677(2016)023-0051-02