Er3+:Lu2O3纳米粉体和透明陶瓷的制备及光谱性质研究

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铒掺杂的氧化镥(Er3+:Lu2O3)透明陶瓷材料具有优良的物理性能和光学特性,为陶瓷闪烁体和高功率激光器以及短脉冲激光器的激光增益介质提供了选择,可广泛的应用于生物、医学、环境检测及军事等领域。本文分别采用化学共沉淀法和固相反应法制备Er3+:Lu2O3粉体,并以其为原料制备出透过性能良好的Er3+:Lu2O3透明陶瓷。同时对其光谱性能进行了探讨,具体结论包括如下几个方面:首先,采用化学共沉淀法合成了性能良好的Er3+:Lu2O3纳米粉体,并制备出透过率良好的透明陶瓷。在纳米粉体制备方面,研究了沉淀剂、分散剂、合成条件以及煅烧温度对纳米粉体性能的影响。研究表明,采用碳酸氢铵为沉淀剂,以(NH4)2SO4和PAM为分散剂时,前驱体经1000℃煅烧2h,可获得粒径为50-60nm,且形状近似球形,分散性较好的Er3+:Lu2O3纳米粉体;当以酒石酸为沉淀剂时,在相同的煅烧条件下同样获得了分散性良好的纳米粉体,但粒径相对较大约为75nm,烧结活性相对较低。在Er3+:Lu2O3陶瓷烧结方面,通过对Er3+:Lu2O3陶瓷烧结致密化过程的研究表明:Er3+:Lu2O3陶瓷的烧结和晶粒生长动力学受晶界扩散控制,并利用真空烧结技术制备出性能优良的Er3+:Lu2O3透明陶瓷,在可见光的透过率约为55.4%。其次,采用高温固相反应法制备出透过性能良好的Er3+:Lu2O3透明陶瓷,可见光波段的直线透过率可达到63.8%。研究表明:适量的引入TEOS(0.5wt.%)可以提高透明陶瓷的烧结致密化程度,提高透明陶瓷的透过率;过量La2O3(10at.%)会加剧陶瓷结构中的晶格畸变,同时高温时La2O3会与Lu2O3形成LaLuO3导致第二相产生,从而影响透明陶瓷的光学性能。最后,对Er3+:Lu2O3纳米粉体和透明陶瓷的发光性能的进行了研究。在纳米粉体和陶瓷体材料中均观察到980nnm激发下的红光和绿光上转换发光,且红光与绿光的相对强度比随着浓度的增大而增大。这主要是由于交叉驰豫(2H11/2,4S3/2)+4F9/2→4I15/2+4I13/2作用的结果,同时研究了Er3+:Lu2O3纳米粉体的形貌对其发光性能影响明显。此外还对980nm激发下Er3+:Lu2O3透明陶瓷的发射中心波长在1533nm的红外发光发射光谱进行了研究,研究表明:当Er3+掺杂浓度在2.0~3.0at.%时具有最强的红外光发射,3.0at.%达到最大值。
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