基于硼酸盐玻璃中金属赋存状态调控的稀土发光增强及机理研究

Rare earth ions were widely used in the optoelectronic fields owing to the abundant electron energy level and changeful fluorescence characteristics in laser, optical amplifier, optical communication, storage, lighting and display. However, its 4f inner electron transition lead to the low pump efficiency and luminous efficienc, which limited the device applications in optoelectronic fields. In this project, metal ions like gold, silver and copper were introduced into the glasses and used to improve the luminescent properties by the interaction effect. Different chemical states of metal ions can be formed in the matrix such as ionic, clusters and nanoparticles, leading to the ambiguous mechanism between the large states of metal ions and rare earth ions. To solve the problem, glass structure and ion exchange technology were used to control the chemical state of the metal ions. It is expected to master the optical properties of the different metal ions state and the mechanism with the rare earth ions emission including the control of different metal state transformation. The definite physical mechanism of the fluorescence enhancement in rare earth ions would offer the related science scientific basis in the development of the optical rare earth doped glass materials and devices.

稀土离子由于其丰富的电子能级及多变的荧光特性在激光、光放大、光通讯、储能、照明及显示等光电领域应用非常广泛。但其4f内层电子跃迁导致其泵浦效率低下，发光效率不高成为制约稀土离子在光电领域器件化应用的关键问题之一。本项目提出在玻璃基质中引入金、银、铜等金属离子的方法，通过金属与稀土离子相互作用来增强稀土离子的荧光效率。由于金属离子在玻璃中容易形成离子态、团簇态、颗粒态等多种赋存状态，而不同的赋存状态与稀土离子之间相互作用机理不同，导致稀土离子荧光增强机理不明确。本项目拟通过玻璃结构作用结合离子交换技术实现金属离子不同赋存状态的调控，掌握不同金属离子不同赋存状态的性质及其与稀土离子相互作用的机理以及金属离子不同状态的调控机制，明确稀土离子荧光增强的内在物理机制，为今后开发金属复合的稀土荧光玻璃光学器件奠定科学基础。

稀土离子由于其丰富的电子能级及多变的荧光特性在激光、光放大、光通讯、储能、照明及显示等光电领域具有广泛的应用前景。基于玻璃的无规则网络结构对稀土离子的高效溶解力，本项目从三个方面展开了研究：(1) 硼酸盐玻璃结构调控对金属赋存状态的影响规律;(2)离子交换过程对金属赋存状态的调控机制；(3) 金属赋存状态对稀土离子掺杂玻璃发光性质的增强机理。通过上述内容的研究，获得了以下重要结果和数据：(1)通过硼酸盐玻璃中网络形成体和修饰体的组分调控，实现了玻璃网络高聚态向低聚态的转变，从降低了稀土离子的浓度猝灭，获得了稀土离子Sm3+、Tb3+和Eu3+荧光效率的提升。(2)通过Ag+-Na+离子在硼酸盐玻璃中的交换作用，实现了Ag+在玻璃网络中的扩散及网络结构对其赋存状态的调控作用，获得了Ag+、Ag分子团簇、Ag纳米颗粒等不同的金属赋存状态。(3)通过对金属赋存状态的结构调控以及热处理机制实现了金属的离子态，分子团簇态以及纳米颗粒对稀土离子的荧光作用机理，明确了离子态和分子团簇态的能量传递增强作用以及纳米颗粒等离子体的共振增强泵浦效率从而促进稀土荧光效率的机理。上述研究结果有助于认识玻璃中金属赋存状态对稀土离子发光性质的影响机制，为增强稀土离子发光效率，开发新型、高效的稀土离子发光玻璃材料与光电器件奠定科学的理论依据。