[发明专利]一种氧化锆基稀土上转化发光薄膜材料及其制备方法

说明书

 

技术领域

    本发明涉及一种氧化锆基稀土上转化发光薄膜材料及其制备方法。

背景技术

 激光泵浦下的频率上转换发光现象自发现以来一直受到重视，上转换发光材料在激光技术、光纤通讯技术、纤维放大器、显示技术与防伪技术等诸多方面具有广阔的应用前景。近几年来，稀土掺杂上转换发光材料由于在红外光区被激发时，可以发射出波长远短于激发光的可见光，在显示发光、生物检测等应用中具有独特的优势，从而引起了人们广泛的关注。稀土掺杂频率上转换发光研究的一个重要内容是如何提高上转换发光的效率。近年来，人们从稀土离子敏化中心、激活剂和基质材料等几个方面出发，不断研究出具有更高效率的稀土掺杂上转换发光材料。

其中，稀土元素Er（III）/Tm（III）/Ho（III）Pr（III）/Ce（III）等具有丰富的能级，且部分能级寿命较长，上转换效率很高，被广泛用为上转换发光中心的离子。同时，稀土元素Yb（III）或Y（III）在980 nm 附近有较宽的吸收截面，并且能够将能量有效地转移给其它离子，是一种很有效的上转换敏化剂，所以越来越多的成为上转换发光材料的敏化中心。

 基质材料是影响上转换发光特性的一个重要因素，基质的选择主要取决于声子能量大小。当声子能量同激发或发射频率相近时，晶格会吸收能量使发光效率下降，因此基质材料必须具有较低的声子能量，才能使发射光不被减弱。通常的上转换发光材料，大部分都是以氟化物或者氟氧化物作为基质，主要是考虑了其声子能量小的特点。然而，传统的氟化物或者氟氧化物存在吸湿性强、机械强度差、热稳定性差、不易制备等缺点。相对于以上氟化物的缺点，氧化物则因高的化学和热稳定性且容易制备越来越受到重视。但是氧化物的声子能量普遍较高，因此上转换效率比较低。因此需要找到一种合适的氧化物（体系）作为基质材料。

同时，随着器件化应用的发展，如何制备开发出大尺寸、均匀性好、具有特定形态的材料也越来越受到人们的重视。目前报道的稀土上转化发光材料多为粉末或颗粒状结构，而在与器件相结合的过程中，通过溶胶-凝胶法制备的薄膜材料，具有操作简单、纯度高、化学组成均匀、尺寸和厚度可控、易于器件加工等优点，是目前最理想、最具有应用前景的上转换材料器件化的方向之一。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种氧化锆基稀土上转化发光薄膜材料。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种氧化锆基稀土上转化发光薄膜材料，包括：

以溶胶-凝胶法制备的氧化锆薄膜作为基质，以Yb（III）或Y（III）稀土离子作为敏化剂，以Er（III）、Tm（III）、Ho（III）、Pr（III）或Ce（III）稀土离子作为上转换发光中心，在薄膜制备过程中进行共掺杂。

在980 nm 附近的红外光激发下，敏化剂利用其较宽的吸收截面吸收泵浦光，然后将能量传递给激活离子，并使这些离子产生上转换发光。

本发明采用溶胶-凝胶法制备氧化锆薄膜（ZrO₂），利用其良好的化学稳定性、光学透明性、较宽的禁带宽度（约7. 8 eV）和较低的声子能量（470 cm^-1），作为一种良好的上转换发光的基质材料。通过Er（III）/Tm（III）/Ho（III）Pr（III）/Ce（III）等上转换发光中心和Yb（III）/Y（III）等敏化中心的共掺，实现高效的稀土上转换发光薄膜材料。

本发明的另一个目的是提供上述氧化锆基稀土上转化发光薄膜的制备方法，包括如下步骤：

a、前驱体溶胶的制备：以氧氯化锆和乙酰丙酮为原料制备聚乙酰丙酮锆，然后将聚乙酰丙酮锆溶解于甲醇中，聚乙酰丙酮锆和甲醇的质量比为2.5：1，配成前驱体溶胶；

b、稀土离子的掺杂：在上述步骤的前驱体溶胶中掺进敏化剂和上转换发光稀土离子；

c、甩膜：将掺杂后的前驱体溶胶滴到基片上，以3000-3500转/分钟的甩胶，持续时间20-25秒，得到前驱体膜；

d、热处理：将前驱体膜在70℃-80℃温度下烘烤20-30分钟，然后以5 ℃/min的升温速率升至900 ℃，恒温2 h，自然冷却后得到氧化锆基稀土上转化发光薄膜。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）以氧化锆作为基质材料，克服了传统的氟化物或者氟氧化物基质吸湿性强、机械强度差、热稳定性差、不易制备等缺点；