钒酸钇基发光材料的制备及温度传感特性研究

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目前稀土掺杂发光材料作为温度传感器被大量研究,能够实现准确的温度测量、提高测温灵敏度一直是众多科研工作者为之努力的方向。本文以钒酸钇(YVO4)作为基质,选择与Y3+离子半径相近的Eu3+、Pr3+、Er3+和Yb3+稀土离子,成功合成了稀土离子掺杂钒酸钇发光材料。对制备的样品进行XRD、SEM和发光特性的表征。研究了掺杂浓度对钒酸钇相结构和发光特性的影响,基于荧光强度比技术研究了样品的温度传感特性。具体研究内容如下:采用水热法制备了 Eu3+离子掺杂YVO4荧光粉,通过XRD、SEM对其结构和形貌进行表征。XRD结果表明不同浓度的Eu3+离子的掺杂并没有改变YVO4相结构,SEM表明制备的荧光粉为不规则颗粒状,尺寸不均匀,最大颗粒尺寸可达4μm。在398nm激发下,样品的发光峰主要集中在可见光范围,最佳掺杂浓度为8%Eu3+。在303K-623K测温区间,变温光谱显示发光峰的峰强均表现出温度依赖性。分别基于热耦合能级(5D1→7F1与5D0→7F1)和Stark能级(5D0→7F2(1),(2)和5D0→7F4(1),(2))的荧光强度比技术,研究了 YVO4:Eu3+的温度传感特性。研究结果表明,基于热耦合能级的测温灵敏度Sr=2.7%K-1@303K更优于基于Stark能级(5D0→7F4(1),(2)的测温灵敏度Sr=0.0956%K-1@303K。采用高温固相法制备了YVP4:Pr3+荧光粉,XRD结果显示了 Pr3+离子的掺入并没有改变YVO4的晶体结构。由于高温处理过程导致晶粒生长存在宏观残余应力,进而引起晶格畸变,导致晶胞体积变小。SEM结果显示制备的YVO4:Pr3+样品是由不规则颗粒组成的,颗粒平均尺寸约为3μm。在325nm激发下,YVO4:Pr3+荧光粉的发射光谱显示了稀土 Pr3+离子的特征发光,其中595nm,598nm归属于激发态3p1→3H6能级跃迁,605nm和607nm对应能级跃迁为1D2→3H4,而618nm处的发射峰对应于稀土Pr3+离子的3P0→3H6能级跃迁。采用荧光强度比技术,基于热耦合能级(3P1和3P0)、非热耦合能级(3P0和1D2)和1D2能级研究了样品的YVO4:Pr3+的温度传感特性,得到测温灵敏度分别为:0.783%K-1@303K,1.137%K-1@313K,0.398%K-1@323K。采用高温固相法制备了 Er3+单掺和Er3+/Yb3+双掺YVO4的荧光粉,XRD结果表明,单掺杂和双掺杂所得产物均保持基质YVO4晶体结构,没有杂相出现。SEM结果显示Er3+/Yb3+双掺YVO4荧光粉颗粒表面光滑,平均粒径约为1-2μm。YVO4:Er3+和YVO4:Er3+/Yb3+荧光粉的下转换发光峰以绿光为主,Yb3+离子的掺入使Er3+离子的发光增强,表明Yb3+离子对Er3+离子有很好的敏化作用。分别在380nm和980nm激发下研究了Er3+/Yb3+双掺YVO4样品的下转换发光和上转换发光特性。在下转换发光中,样品位于526nm(2H11/2→4I15/2)绿色发光明显高于554nm(4S3/2→4I15/2)绿色发光,这与980nm激发下的现象相反。基于热耦合能级(2H11/2→4I15/2和4S3/2→4I15/2)荧光强度比技术研究了 Er3+/Yb3+双掺YVO4荧光粉的温度传感特性。在303K-603K测温区间,基于热耦合能级(2H11/2和4S3/2)在上转换和下转换发光时获得了最大的测温灵敏度为分别为Sr=0.922%K-1@303K:Sr=0.997%K-1@303K。基于Stark能级(4S3/2(1)(2)→4115/2,4I13/2)在下转换发光时在303K获得最大测温灵敏度分别为Sr=0.175%K-1,Sr=0.158%K-1
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