稀土掺杂荧光材料的制备与表征

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1、稀土掺杂荧光材料的制备与表征一、实验目的以“稀土掺杂荧光材料的制备与表征”为研究课题，通过查阅书籍或文献（部分相关文献由指导老师提供）选择一种目前在使用性能上相对成熟的荧光材料为研究对象，锻炼学生对材料制备和研究方法基础理论知识的融会贯通。通过本实验的学习，使学生在材料制备和研究的基本知识、基本方法和基本技能等方面受到较系统的训练，理论联系实际，培养学生的综合实验能力，良好的实验习惯以及严谨求实的科学作风提高学生科学实验的素质、创新精神。使学生较早地参加专业科研活动，为今后继续电子材料与元器件相关专业课

2、程的学习奠定基础。二、实验原理荧光物质即经紫外线、X射线和电子射线等照射后发光，照射停止后发光也很快终止的物质。稀土离子具有丰富的发射光谱，镧系的4f电子可在7个4f轨道上任意分布，从而产生各种光谱项和能级。元素原子结构差异使荧光颜色和发光强度不同，而有的稀土元素如Y3+，La3+等并不产生荧光；但是由于这些非荧光多型稀土离子可与荧光稀土离子形成双核配合物，能量转移不仅在中心离子与配体之间发生而且也存在于不同中心离子之间，而且转移目标仅为荧光稀土离子，这种“浓聚”效应大大提高了荧光强度。所以，非荧光稀土

3、离子可以作为添加剂提高母体材料的荧光性能。对于稀土高分子配合物，能产生强度较高荧光的Eu3+，Tb3+，Sn3+，Dy3+等稀土荧光离子虽然受激后可产生f-f跃迁，但由于在近紫外区吸光系数很小，使其发光效率低；而某些有机物π-π*跃迁激发能较低且吸光系数高。二者分别作为中心离子形成配合物，使有机分子的三重激发态与稀土离子的激发态能级相匹配，前者在近紫外区吸收能量激发后，由三重激发态以非辐射方式将能量传递给稀土离子，处于高能级的激发态稀土离子再以辐射方式跃迁到低能级从而发射特征荧光。根据现代能带理论，半导

4、体的价带全部被电子填满，而导带全空，价带和导带之间的能量间隔为禁带，禁带宽度用Eg表示。当半导体从外界吸收能量（光、电、高能粒子等），价带的电子将被激发到导带，这个过程称为吸收。被激发到导带的电子为非平衡载流子，它们可能自发地（普通光）或受激地（激光）从激发态跃迁到基态，恢复到平衡态，并将吸收的能量以光的形式辐射出来，这一过程叫做发射。半导体的吸收和发射也可以通过带隙中的局域能级进行，或者带间跃迁与局域能级间的跃迁相互交叉。对于间接带结构半导体，动量守恒要求声子参与才能完成光学跃迁，在直接带隙半导体中也

5、可能发生声子参与的跃迁。在一般能量的激发下，主要是价电子参与光学跃迁，然而在高能激发下（如同步辐射或阴极射线），也可能发生内层电子参与的发光。处于激发态的电子不仅可能以发光的形式进行辐射复合，而且可能以无辐射的形式（如发热）将吸收的能量释放出来。发光中心指半导体中杂质或杂质与缺陷形成的复合体，其中能够进行辐射复合，产生特征的发光。一般分为两类：一类是分立发光中心，这类中心是封闭的，杂质与基质晶格的耦合作用较弱，光的发射是在中心内部完成的，不伴随光电导，而且基质晶格对发光波长影响不大，发光主要有发光中心决

6、定；另一类叫做复合发光中心，这类中心是开放的，杂质中心与基质晶格的耦合作用强，吸收在整个晶体中进行，依靠能量转移或碰撞激发，将能量传递到发光中心，发光来自导带与发光中心的复合，并伴随光电导，而且发光与基质的晶体结构和发光中心的结构都有关系。分立中心包括三价稀土离子中心和三价过渡金属离子中心。由于稀土离子的最外层电子为5s2和5p6满壳层结构，形成很好的电屏蔽作用，使稀土离子4f电子的发射基本上保持离子的特征，周围晶体场对稀土离子的作用很弱，发光起源于稀土能级间的跃迁，比较容易辨认；然而过渡族3d电子并不

7、存在稀土4f电子层外的满壳层电子结构，所以3d电子跃迁受周围晶体场的影响较大，但是考虑到晶体场的影响，仍可以找到发光跃迁与过渡金属离子能级间的关系。不论三价稀土离子中心（4f电子）还是三价过渡族金属离子中心（3d电子），只有在晶体场作用下，才可能发生组态内的跃迁。4f或3d电子的轨道量子数相同，因而宇称相同，根据“宇称相同状态之间的电偶极跃迁被禁戒”的选择定则，只有电四极（磁偶极）跃迁才允许，但电四极跃迁的概率比电偶极跃迁要低得多。实际上，掺稀土离子或过渡族金属离子的半导体，这些离子中心的特征发光被激发

8、，说明上述选择定则的禁戒被解除。正是在晶体场的扰动下，宇称相同状态之间的禁戒跃迁才被打破或部分被打破，才有稀土和过渡族离子发光中心丰富多彩的光谱。三、实验物品实验药品：化学试剂，稀土氧化物（分析纯）。实验设备：电子分析天平，药匙，称量纸，玛瑙研钵，刚玉坩埚，球磨机（附带球磨罐和磨球），1200oC1300oC1600oC气氛炉。测试仪器（结构与性能表征）：荧光分析仪。四、实验步骤一、按Gd1-xTbxO(BO3)3，x=1、3、5、7、