稀土离子注入调节钛酸锶钡铁电薄膜上转换材料的光学性能及发光机理研究

本项目采用Pr3+、Er3+、Tm3+、Ho3+、Yb3+等易产生上转换发光现象的稀土离子注入到（Ba，Sr)TiO3(BST)铁电薄膜材料中，研究该材料上转换发光特性和发光机理。用高分辨率透射电子显微镜、四圆X-Ray和Rutherford背散射沟道技术研究不同注入离子对晶格损伤的产生、积累、局部非晶化以及用热退火处理消除其晶格损伤等物理过程，确定离子注入掺杂剂量的上限。采用实验研究和量子化学计算相结合的方法，探讨激发光与稀土离子能级之间的能量匹配及上转换的通道与机制，建立铁电材料特有的自发极化与材料发光性能的联系。本项目的研究成果将不仅有助于丰富材料科学、发光学的知识体系，为开发新型激光器用新材料体系提供物理理论和实验依据，而且对工业生产中采用离子注入方法进行铁电材料与器件的加工以及了解抗辐照损伤的能力具有重要的指导意义。

稀土发光材料由于具有优异的发光性能和广泛的用途因而受到人们极大的关注，成为目前材料科学领域研究的热点之一。本项目利用发光学中的频率上转换机制，制备具有蓝绿光输出的稀土离子掺杂改性的（Ba，Sr)TiO3(BST)铁电上转换发光材料。采用改进溶胶-凝胶法制备了Ho3+,Tm3+,Er3+掺杂的BST薄膜和纳米粉体，研究了稀土离子掺杂对BST材料结构和光学性能的影响，用J-O理论计算不同掺杂稀土离子和掺杂浓度对BST光学谱线强度、自发辐射概率、辐射寿命和荧光分支比等光谱参数，分析讨论了斯托克斯发光机理和浓度淬灭机理。以Yb3+为敏化中心，制备了Yb3+、Ho3+;Yb3+、Tm3+;Yb3+、Er3+共掺BST铁电材料，探讨激发光与稀土离子能级之间的能量匹配及上转换的通道与机理，建立铁电材料的电子结构与材料发光性能的联系。. 用离子注入方法能够在远离平衡态、不受固溶度的限制，不受扩散系数和化合结合力的影响下，通过改变注入离子的能量和剂量，在薄膜的表面指定区域和深度进行掺杂，制作平面结构的器件，与集成电路技术兼容。本项目以传统陶瓷工艺制备的结构和电学性能优异BST陶瓷为靶材，用脉冲激光沉积方法制备BST薄膜，采用离子注入法把Er3+掺入到BST中，相比溶胶-凝胶法制备的Er3+掺杂，BST发光强度变弱，通过优化退火工艺可以对晶格损伤进行恢复和提高发光强度。理论上分析离子注入对BST介电场的影响，当钛酸锶钡基铁电材料掺入高浓度施主杂质时，杂质在晶粒之间呈高斯分布。高浓度的施主掺杂能够产生金属离子缺位并引起晶粒居里温度的变化，引起介电弥散和介电损耗,根据过冷液体玻璃态相变的表征概念-脆性，提出了表征介电弥散现象的“弛豫度”的概念, 弛豫度可用Vogel—Fulcher公式中的拟合参量并用实验测试的介电峰温值算出。通过银离子束注入制备聚苯乙烯（PS）微球阵列，系统研究了离子注入参数（离子能量，注入剂量）对PS微球阵列的形貌与结构的影响。通过随后的退火或三氯甲烷处理，得到了大面积的、有序的半球壳或小开口空心球阵列。这些新的结构克服了传统PS纳米球的缺点，有助于进一步探索金属或半导体纳米结构在纳米光电器件中的应用。