[发明专利]上转换白光发射玻璃陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体发光材料领域，尤其是涉及一种能够在800纳米激光激发下实现明亮上转换白光发射的稀土掺杂透明玻璃陶瓷及其制备工艺。

技术背景

近年来，由于白光源在固态三维显示和背光灯等领域具有重要应用而引起人们的广泛兴趣。目前，有多种获得白光源的方法，如电能转换、光频调控(利用频率上转换或下转移)和白炽灯热辐射等。其中，多光子频率上转换过程可望获得稳定、经济的白光源。只要合适地调控红、绿、蓝三色上转换发光的相对强度，即可方便地获得等能的白光发射。众所周知，Yb³⁺离子具有较大的吸收截面以及和其它稀土离子之间有效的能量传递，是一种常见的可以增强上转换发光的敏化离子。目前980纳米激光激发条件下Yb³⁺离子敏化的上转换白光发射已经实现，但是在一些实际应用中，利用成熟的商用800纳米激光二极管作为激发源有独特优势，此时，可以采用在800纳米附近具有较高吸收截面的Nd³⁺离子作为敏化中心。Nd³⁺离子和Yb³⁺离子之间具有非常高的能量传递效率，目前人们已经实现了以Nd³⁺离子为敏化中心、Yb³⁺离子为桥接中心的Nd³⁺/Yb³⁺/RE³⁺(RE＝Tm、Ho、Tb或Pr)三元稀土掺杂体系的上转换发光。但迄今以800纳米光源泵浦的上转换白光发射材料尚未见报道。

作为一类先进的光电功能材料，氟氧化物玻璃陶瓷由于综合了氟化物纳米晶的低声子能量和氧化物基体的高机械强度、化学稳定性的优势而在近年来引起人们的广泛关注。本发明在含YF₃纳米晶玻璃陶瓷中掺杂Nd³⁺、Yb³⁺、Tm³⁺和Ho³⁺等稀土离子，通过控制热处理条件使稀土离子进入YF₃纳米晶。该材料中，Nd³⁺离子在800纳米附近具有非常高的吸收截面，接近于其在晶体中的数值。利用Nd³⁺离子这一优异的光谱性质，在800纳米激光激发条件下，经Yb³⁺离子的桥接作用，将能量同时传递给Tm³⁺和Ho³⁺离子，可实现明亮上转换白光发射。

发明内容

本发明提出一种Nd³⁺/Yb³⁺/Tm³⁺/Ho³⁺四元稀土共掺杂的含YF₃纳米晶透明玻璃陶瓷的组分及其制备工艺，目的在于制备出结构稳定、能在800纳米激光激发条件下实现明亮上转换白光发射的透明固体发光材料。

本发明的透明玻璃陶瓷的组分和摩尔百分含量如下：

SiO₂：40-60mol％；Al₂O₃：10-30mol％；YF₃：5-25mol％；NaF：5-15mol％；NdF₃：0.05-0.1mol％；YbF₃：0.5-1mol％；TmF₃：0.1-0.2mol％；HoF₃：0.01-0.1mol％(上述各组分含量之和为100mol％)。

本发明的技术方案如下：

将各种粉体原料按照一定组分配比称量，混合并研磨后置于坩埚中，放入电阻炉中加热到1300～1500℃后保温2～5小时使之熔融，而后，将玻璃熔液取出并快速倒入铜模中成形得到前驱玻璃；将获得的前驱玻璃放入电阻炉中退火以消除内应力。对上述玻璃在670℃进行2～6小时等温热处理，使之发生部分晶化，便得到透明玻璃陶瓷。

制备过程中使用的坩埚可以是铂金坩埚或刚玉坩埚。

粉未X射线衍射分析表明，利用上述方法制备的透明玻璃陶瓷中晶化析出单一的正交相YF₃纳米晶；透射电子显微镜观察表明，YF₃纳米晶均匀地镶嵌于无机玻璃基体中；适当选择掺杂稀土的种类和浓度，在800纳米激光激发下，玻璃陶瓷可以发射明亮的上转换白光。

本发明的玻璃陶瓷制备工艺简单、成本低廉，无毒无污染，具有良好的力学性能和热学稳定性，可望开发成为一种新型上转换白光器件，在固态三维显示、背光源等领域具有广阔的应用前景。

附图说明