稀土掺杂(Ba,Sr)TiO<,3>厚膜的制备工艺与发光性能研究

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稀土发光材料由于具有优异的发光性能和广泛的用途因而受到人们极大的关注,成为目前材料科学领域研究的热点之一。本文分别采用溶胶-凝胶法和丝网印刷工艺制备了稀土离子掺杂的BST薄膜与厚膜材料,对稀土离子掺杂BST薄膜与厚膜的特性进行了表征,研究了材料的发光性质与影响因素以及发光机理。主要研究内容如下:   ⑴采用改进的溶胶-凝胶法制备了Nd掺杂的Ba0.8Sr0.2TiO3薄膜,研究了薄膜的微观结构、光学参数及发光性能。实验结果表明,当Nd掺杂量较低时(<3mol%),Nd离子主要占据钙钛矿结构ABO3中的A位,当Nd含量继续增加,则会同时替代A、B位。薄膜的晶粒大小和表面均方根粗糙度都随着Nd离子浓度的增加而减小。Nd离子含量为5mol%时,薄膜具有最小的晶粒尺寸和表面粗糙度。采用包络法计算了Nd掺杂BST薄膜的折射率,利用吸收谱确定了薄膜的光学带隙。研究了Nd掺杂BST薄膜的近红外发光性能,结果表明Nd掺杂BST薄膜在877nm、1060nm和1337nm处出现了三个发光带,分别对应Nd3+的4F3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2、4F3/2→4I13/2的跃迁,其中1060nm处的发光强度最大,分析了Nd3+在Ba0.65Sr0.35TiO3和Ba0.2Sr0.2TiO3两种薄膜中不同的发光淬灭机制。   ⑵研究了丝网印刷制备:BST厚膜的工艺。配制出流变性能良好、适宜印刷的厚膜浆料,其中BST陶瓷粉体分别采用溶胶-凝胶法和固相烧结法制备,有机载体以5wt%的乙基纤维素溶入到松油醇中混合制得,BST陶瓷粉体和有机载体的混合比例为70wt%:30wt%。在氧化铝衬底上通过丝网印刷厚膜,400℃预烧去除有机成分后在1230-1260℃之间烧结0.5小时,得到晶化良好、结构致密、厚度约为10μm的BST陶瓷厚膜。   ⑶利用丝网印刷工艺制备出Tm以及Yb、Tm共掺杂的Ba0.8Sr0.2TiO3陶瓷厚膜,研究了稀土掺杂对厚膜的微结构和发光性能的影响。实验发现,稀土离子在BST厚膜中有较高的固溶度,低掺杂量时Yb、Tm离子在BST晶格中首先替代B位离子,高掺杂量时则同时占据A位和B位离子。Tm掺杂的BST厚膜在694 nm和720 nm附近出现了两个发光峰,分别对应于Tm3+的1G4→3H4跃迁和3F4→3H6跃迁。694 nm处的红光强度在1mol%Tm掺杂时达到最大。Yb、Tm共掺杂的BST厚膜在800nm激发光下,Tm离子通过Yb离子的敏化作用在468nm附近实现了间接上转换蓝色荧光输出,对应为Tm3+的1G4→3H6跃迁,分析了该间接上转换发光的机理,其荧光强度随着Yb、Tm比例的增加先增强后减弱,确定出最佳Yb、Tm共掺比例为2:1。
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