Er3+-Yb3+激活的钠钇钼酸盐中的能量传递动力学及光谱分辨的上转换发射

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Energy transfer dynamics and spectrally resolved upconversion emission in Er3+-Yb3+ activated sodium yttrium molybdate

本研究通过固态反应法合成Er3?-Yb3?共掺杂NaY(MoO?)?荧光粉，表征其结构及上转换发光特性，发现优化掺杂浓度（0.3mol% Er3?和5mol% Yb3?）可使绿色发光增强4倍，并揭示Yb3?作为敏化剂通过能量传递机制提升发光效率，该材料在固体照明、生物成像等领域有潜在应用。

　　在当前的研究中，科学家们致力于开发一种基于稀土元素掺杂的钼酸盐磷光体材料，特别是Er3?和Yb3?共掺杂的NaY(MoO?)?磷光体。这种材料因其在上转换发光（Upconversion Luminescence, UC）方面的卓越性能而受到关注，其核心原理是通过吸收低能光子（如近红外激光）产生高能光子的发射，从而实现反斯托克斯效应。这种非线性光学现象在多种领域中展现出广阔的应用前景，包括生物成像、光学数据存储、固态照明、液晶显示器背光以及光动力癌症治疗等。然而，尽管其在基础研究和应用探索方面取得了显著进展，研究人员仍在不断优化其性能，以期满足更广泛的实际需求。

Er3?和Yb3?共掺杂的磷光体材料在上转换发光研究中具有独特优势。Yb3?离子因其在980 nm波长下具有较高的吸收截面，常被用作敏化剂，以促进能量向Er3?的转移。而Er3?则作为激活剂，其4f电子跃迁受5s和5p轨道的屏蔽作用，使得其发光效率较高。在本研究中，通过传统固态反应法合成Er3?-Yb3?共掺杂的NaY(MoO?)?磷光体，并对其结构、光学特性及上转换发光行为进行了系统分析。研究人员发现，当Er3?掺杂浓度为0.3 mol%、Yb3?为5 mol%时，材料表现出最佳的上转换发光性能，其绿色发射带尤为显著。这一结果不仅验证了Yb3?作为敏化剂的有效性，也说明了Er3?-Yb3?协同作用对发光效率的重要影响。

在材料合成过程中，研究人员采用了常规的固态反应方法。首先，通过精确控制反应物的配比，制备了NaY(MoO?)?的基质材料。随后，通过掺杂不同比例的Er3?和Yb3?，得到了一系列磷光体样品。这些样品在高温下经过充分反应，形成了具有高度结晶性的产物。X射线衍射（XRD）分析结果表明，所有样品均具有标准的四角晶系结构，且没有出现非晶态相，这表明材料在合成过程中保持了良好的晶体结构。进一步通过德拜-谢乐公式计算了晶粒尺寸，并利用威廉森-霍尔（W-H）方程分析了晶格应变，结果显示晶粒尺寸在掺杂后有所变化，而晶格应变则与离子半径的不匹配有关。

在材料的微观结构表征方面，研究团队使用了场发射扫描电子显微镜（FESEM）对样品进行了观察。结果表明，未经掺杂的基质材料呈现出不规则的颗粒形态，而掺杂后的样品则表现出一定的结构变化，颗粒尺寸有所增大。这可能与掺杂离子引起的晶格畸变以及高温处理过程中的晶粒生长有关。此外，通过图像分析软件ImageJ，研究人员进一步量化了颗粒尺寸的分布情况，发现随着掺杂浓度的增加，颗粒尺寸呈现出一定的增长趋势。这些结果为理解材料的结构特性及其对发光性能的影响提供了重要依据。

在光学特性分析中，研究人员首先对样品进行了紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）漫反射光谱（DRS）测试。结果显示，Er3?和Yb3?共掺杂样品在980 nm附近表现出明显的吸收峰，这表明Yb3?在该波长下的高效吸收能力能够有效促进能量向Er3?的转移。进一步的能带结构计算表明，单掺杂Er3?样品的能隙约为3.87 eV，而共掺杂样品的能隙则降低至3.72 eV，这可能与Yb3?的引入改变了材料的电子结构有关。此外，通过测量不同掺杂浓度下的发光强度，研究人员发现当Er3?浓度为0.3 mol%、Yb3?为5 mol%时，材料的绿色上转换发光强度达到最大值，且在该条件下，Yb3?的敏化作用对Er3?的发光效率起到了关键的提升作用。

在上转换发光机制方面，研究团队利用能量级图进行了深入分析。结果显示，Er3?的上转换发光主要来源于其4f电子能级之间的跃迁，其中绿色发射主要由²H_11/2→⁴I_15/2和⁴S_3/2→⁴I_15/2的跃迁过程引起。而Yb3?的引入则通过能量转移机制显著增强了这些发光过程。在实验中，研究团队还观察到，随着泵浦功率的增加，发光强度呈现非线性增长趋势，且不同发射峰的强度增长比例不同，这表明上转换过程可能涉及多个光子吸收步骤，如二光子吸收或三光子吸收等。通过绘制发射强度与泵浦功率的对数关系图，研究人员进一步确认了各发光峰的吸收机制，并发现绿色发射峰的吸收效率高于红色发射峰，这可能是由于绿色发射所需的能量较低，且受到非辐射跃迁的影响较小。

在材料的光谱特性方面，研究团队还进行了色度分析，以评估其发光纯度。通过CIE色坐标计算，发现优化后的Er3?-Yb3?共掺杂样品的色坐标接近NTSC标准绿色参考点（0.21, 0.71），表明其绿色发光具有较高的纯度。这一特性使得该材料在显示技术、光学成像等领域具有较高的应用潜力。此外，研究人员还探讨了浓度淬灭现象对发光性能的影响。当Er3?或Yb3?的浓度超过一定阈值时，发光强度会显著下降，这可能与离子间的非辐射能量转移和晶格畸变有关。因此，确定最佳的掺杂浓度对于提升材料的发光性能至关重要。

本研究的成果表明，Er3?-Yb3?共掺杂的NaY(MoO?)?磷光体在上转换发光领域展现出优异的性能。其绿色发光强度显著增强，且在不同泵浦功率下保持稳定的发光特性，这使其在光学温度传感、生物成像等应用中具有良好的前景。此外，材料的色度纯度较高，符合显示技术对绿色光发射的要求，为其在LED照明、显示屏背光等应用提供了坚实的基础。尽管研究中发现红色发射的强度较低，但通过优化掺杂比例和材料结构，有望进一步提升其发光性能。

总体而言，该研究不仅为上转换发光材料的开发提供了新的思路，也为相关技术的应用拓展奠定了理论基础。未来，研究团队可以进一步探索材料的稳定性、耐久性以及在实际环境中的应用效果，以推动其在更多领域的应用。同时，通过引入其他稀土元素或调整合成工艺，可能能够实现更宽泛的发光波长范围，从而拓宽其在光学传感、医学诊断等领域的应用潜力。此外，研究还可以关注如何提高材料的发光效率，减少能量损耗，并探索其在高温或复杂环境下的性能表现。这些方向的研究将有助于进一步完善上转换发光材料的设计与应用，推动其在实际工程中的广泛应用。