近中紅外發(fā)光玻璃是制備近中紅外光光源的核心材料，但是玻璃中含有的羥基是近中紅外發(fā)光的淬滅中心與光吸收損耗的主要原因。怎樣降低玻璃中的羥基含量成為提升近中紅外發(fā)光玻璃的發(fā)光效率并降低光吸收損耗的重要方法。
湘潭大學(xué)徐昌富老師課題組利用能與羥基進(jìn)行反應(yīng)的化學(xué)澄清劑在玻璃熔融過程中分解氧化釋放出氣體，這些氣體部分能夠與羥基反應(yīng)、形成氣泡逸出玻璃液，促使水氣加速從玻璃液中析出，從而達(dá)到降低玻璃中羥基含量的目的。使用化學(xué)澄清劑來降低玻璃中的羥基含量，需要根據(jù)玻璃的基質(zhì)材料與摻雜離子種類來確定。玻璃熔融溫度較低的使用分解或氧化溫度較低的化學(xué)澄清劑，如碲酸鹽玻璃可以使用硝酸鹽作為化學(xué)澄清劑；玻璃熔融溫度較高的使用分解或氧化溫度較高的化學(xué)澄清劑，如硅酸鹽可以使用硫酸鹽作為化學(xué)澄清劑；如果玻璃基質(zhì)成分或者摻雜離子易氧化或者紅外發(fā)光激化中心離子易氧化，則需要使用還原性化學(xué)澄清劑，如硫氧玻璃和摻鉍玻璃。另外，由于玻璃對羥基或水分子都具有一定的固溶度，在玻璃熔融過程中，空氣中的水分子在玻璃液中達(dá)到溶解平衡，為了防止空氣中的水分子重新溶入玻璃液中，要求熔融過程盡量將玻璃液與空氣隔離。
徐昌富教授課題組在之前的研究中發(fā)現(xiàn)，高濃度ZnF2可以有效增強Er3+/Yb3+共摻雜氧氟亞碲酸鹽玻璃2.85um的近紅外發(fā)光，為了進(jìn)一步證明ZnF2對玻璃去羥基的增強作用。在本文中，制備了一系列Er3+/Yb3+共摻雜氧氟亞碲酸鹽玻璃，研究ZnF2含量對玻璃結(jié)構(gòu)、羥基含量、取代PbF2時聲子能量與近中紅外特性。
圖1玻璃基質(zhì)成分為50TeO2-(47.5-x)PbF2-xZnF2-1.5YbF3-1ErF3(x=0, 10, 20, 30, 47.5)的(a)近紅外發(fā)光，(b)中紅外發(fā)光，(c) Raman光譜，(d)紅外透射光譜。
由圖可見，伴隨著ZnF2逐漸取代PbF2，玻璃的近中紅外發(fā)光逐漸增強。由于玻璃基質(zhì)成分的改變，玻璃的聲子能量是隨著ZnF2用量的增加而逐漸增大的，玻璃聲子能量增大一般會造成發(fā)光強度減弱，說明有別的因素存在。而(d)圖顯示，ZnF2逐漸取代PbF2，玻璃的羥基吸收強度逐漸減弱。根據(jù)(d)圖利用公式α(OH-)=ln(T0/T)/l，N(OH-)=NAα(OH-)/ε計算結(jié)果如表1。
表1玻璃基質(zhì)成分為50TeO2-(47.5-x)PbF2-xZnF2-1.5YbF3-1ErF3(x=0, 10, 20, 30, 47.5)的羥基吸收系數(shù)與羥基濃度
parameter | Zn-0 | Zn-10 | Zn-20 | Zn-30 | Zn-47.5 |
α(OH-), cm-1 | 2.30 | 1.48 | 1.05 | 0.95 | 0.72 |
N(OH-)(×1019cm-3) | 2.817 | 1.814 | 1.287 | 1.165 | 0.882 |
根據(jù)表1的結(jié)果顯示，隨著ZnF2逐漸取代PbF2，玻璃中的羥基吸收系數(shù)逐漸減弱、羥基濃度逐漸減小，說明利用ZnF2取代PbF2制備出來的玻璃具有更低的羥基濃度，而羥基又是玻璃紅外發(fā)光的淬滅中心，所以玻璃的發(fā)光強度隨著玻璃中的羥基含量降低而增強。
本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司OmniFluo900系列穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜儀系統(tǒng)，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢：010-56370168。
湘潭大學(xué)徐昌富老師課題組簡介
徐昌富副教授，湘潭大學(xué)碩士生導(dǎo)師。研究方向為：稀土發(fā)光材料及其應(yīng)用，包括：1、高轉(zhuǎn)換效率三基色熒光粉的制備；2、LED燈用照明熒光材料(包括熒光粉和玻璃陶瓷)；3、上轉(zhuǎn)換納米熒光材料及其生物成像；4、稀土紅外熒光材料的制備與應(yīng)用。
文章信息
這一成果以“Increasing ZnF2content enhancing the near- and mid-infared emission in Er3+/Yb3+codoped oxyfluorotellurite galsses with decreased hydroxyl”為題發(fā)表在Journal of Luminescence上。湘潭大學(xué)徐昌富教授為論文通訊作者。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2019.116683
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