[发明专利]Tm3+单掺三光子红外量子剪微晶玻璃及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧氟锗酸盐微晶玻璃，特别是涉及一种Tm³⁺单掺三光子发射红外量子剪裁玻璃及其制备方法，该材料可被应用于设计得到新型高效光电子器件。 

背景技术

量子效率大于1的荧光发光材料的研究和制备具有深远意义，其可有效减少能量损失，在高效照明、显示、固体激光和太阳能电池等光电器件中有着极大的应用前景（J.Lumin.1974,8,341;J.Lumin.1974,8,344;Science,1999,283,663;Prog.Mater.Sci.2010,55,353）。最近，在稀土离子对RE³⁺/Yb³⁺(RE=Tb、Tm和Pr)共掺体系中，红外量子剪裁作为一种新的物理和光学现象被大量研究报道，其主要机理是：一个高能紫外或可见光子被RE³⁺离子吸收后，其蓝光激发能级上的能量通过协作或共振能量传递激发两个与其相邻的Yb³⁺离子，进而实现两个波长位于约1000nm的红外光子发射，其总量子效率大于1。几乎同时，荷兰乌得勒支大学Andries Meijerink教授和中国华南理工大学张勤远教授对这种红外量子剪裁发射现象和相关能量传递机理进行了研究和证实，并明确指出这种高效红外量子剪裁材料有望作为下转换层而大大提高单晶硅太阳能电池能量转换效率，引起了其他科学工作者的广泛关注。到目前为止，这种双光子红外量子剪裁又在Er³⁺/Yb³⁺、Nd³⁺/Yb³⁺和Ho³⁺/Yb³⁺稀土离子对中被广泛研究和报道。 

尽管如此，人们往往只是基于协作或共振能量传递机理对RE³⁺/Yb³⁺共掺体系的双光子红外量子剪裁进行研究，在很多情况下，Yb³⁺的共掺杂反而对施主离子RE³⁺的红外发射机理分析产生干扰，更甚至Yb³⁺的发光只是来源于RE³⁺ 一步共振能量传递而不是量子剪裁；另一方面，之前报道的红外量子剪裁都是双光子发射，其仍有相对较多的能量被耗散掉。除此之外，人们对RE³⁺单掺体系的多光子量子剪裁往往很少关注和研究，尤其是稀土掺杂透明微晶玻璃作为一种有效的量子剪裁材料，其三光子发射红外量子剪裁过程更是从来没有被实现和报道过。 

迄今为止，人们对透明氧氟化物微晶玻璃的研究主要集中在硅酸盐体系，这主要是因为硅酸盐体系具有良好的稳定性，析晶的可控性强。相对而言，对同样具有良好物化性能的锗酸盐微晶体系的研究却很少。锗酸盐玻璃与硅酸盐玻璃相比具有更低的声子能，能够有效降低掺杂其中的稀土离子的非辐射跃迁几率。因此，进一步探索和制备锗酸盐氧氟化物微晶玻璃的研究很有必要。 

发明内容

本发明的目的在于突破现有含LaF₃纳米晶粒的微晶玻璃体系和双光子发射红外量子剪裁体系，提供一种可用于设计新型高效光电子器件的Tm³⁺单掺三光子红外量子剪微晶玻璃及其制备方法，实现其三光子发射红外量子剪裁。 

本发明另一目的在于提供Tm³⁺单掺三光子发射红外量子剪裁微晶玻璃在光电子器件材料的应用。 

本发明地制备出Tm³⁺单掺含LaF₃纳米晶粒透明氧氟锗酸盐微晶玻璃，其通过三步级联跃迁可有效下转换一个被吸收的高能蓝光光子为三个红外光子，这种三光子红外量子剪裁可运用于设计得到新型高效光电子器件。 

本发明的目的通过以下技术方案实现： 

一种Tm³⁺单掺三光子发射红外量子剪裁微晶玻璃，以含LaF₃纳米晶粒氧氟锗酸盐透明微晶玻璃为基质，以Tm³⁺作为激活剂离子，其摩尔比组成为50GeO₂-20Al₂O₃-15LaF₃-15LiF-xTmF₃，0.05≤x≤1.00。 

该材料能够吸收一个蓝光光子，通过量子剪裁过程，高效转换为多个红外光子发射，其量子效率被计算为1.59-1.61。