硼酸盐玻璃材料中银聚集体的形成机理、发光性质及对稀土离子的敏化作用研究

Based on the recent results obtained in our group, facing the problem that the excitation efficiencies for trivalent rare earth ions at near ultraviolet and short wavelength visible are low, we proposed to solve it by adopting silver aggregates as sensitizers for rare earth ions. Meanwhile, this proposal is also aimed at the studies on the growing mechanisms, existing forms, luminescent properties of silver aggregates and their interaction with rare earth ions. It is proposed that the borate glasses will be used as host materials, the EPR, Raman and FTIR analyses will be utilized for studying on the influence of glass composition on the growing mechanisms and existing forms of silver aggregates by combining the glass composition design, meanwhile, we will explore the forming mechanisms of silver aggregates. In this proposal, the dependence of luminescent properties of different silver aggregates on the glass composition will be investigated via the measurements of fluorescent spectra and time-resolved spectra, and that the luminescence features of the different silver aggregates will be discovered. To develop novel UV- and visible- excitable glass materials for white LEDs, solar cells, solar simulators and wide-band tunable lasers, the Eu3+, Sm3+, and Dy3+ will be introduced into the silver-containing borate glasses, furthermore, the energy transfer behaviors between rare earth ions and silver aggregates will be studied on the base of Foster-Dexter's energy transfer theory and I-H model.

该项目以本研究组近期工作为基础，针对三价稀土离子在近紫外及短波可见波段激发效率低的问题，提出用银聚集体为敏化剂以提高激发效率。同时，对玻璃中银聚集体形成机理、存在形式、发光性质及其与稀土离子间相互作用的物理问题进行实验研究。拟以硼酸盐为基质，采用EPR、Ranman及FTIR光谱手段并结合玻璃样品的组分设计分析玻璃组分对银聚集体形成的影响，探索银聚集体的形成规律；通过荧光光谱和时间分辨光谱等手段研究不同形式银聚集体的发光性质对玻璃组分的依赖关系，揭示不同形式银聚集体的发光特性。在含有银聚集体的玻璃材料中引入Eu3+、Sm3+及Dy3+等离子，利用F?ster-Dexter理论和I-H模型分析稀土离子与银聚集体间能量传递行为。通过研究实现可被近紫外及短波长可见光激发的新型发光玻璃材料，为开发白光照明、太阳能电池、太阳光模器拟器及宽带可调谐激光材料拓展一条新的材料设计途径。

当前商品白光LED主要采用黄色发射荧光粉YAG:Ce3+和蓝光LED组合，并用树脂封装实现，其存在的缺点是红色成分缺乏和封装树脂老化等问题。为了解决这些问题，本项目提出了采用具有从紫外到可见宽带激发的含Ag聚集体的玻璃作为光转换材料，该类玻璃同时具有从蓝色到绿色及弱红色的宽带发射光谱，并通过引入Eu3+和Sm3+实现红色发射补偿。. 本项目开展了探索含有Ag聚集体和稀土离子Eu3+及Sm3+的硼酸盐玻璃荧光体作为光转换材料，实现其与近紫外或蓝色发射LED组合实现高质量白光发射。我们研究了不同基质成分硼酸盐玻璃的光谱性质，稀土离子的种类对Ag聚集体形成和种类的影响，稀土离子Sm3+和Eu3+浓度对Ag聚集体发光的影响，稀土掺杂含Ag聚集体玻璃发光的色度学性质以及光谱性质的热稳定性等。通过研究发现掺杂适当浓度的Eu3+和Sm3+对Ag聚集体的形成和发光影响不大，但可改善荧光体的色度学性质；此外，当不同种类的稀土离子掺杂浓度较高时，Ag聚集体的发光会减弱，即使掺杂非光学活性稀土离子Y3+也会如此，这是由于稀土离子的大量引入改变了Ag聚集体的光学跃迁速率。然而，研究发现，不同种类的稀土离子Eu3+、Sm3+、Y3+和Nd3+对硼酸银玻璃中Ag聚集体形成的种类和各种类间的比例影响不大，仅影响聚集体的发射速率。在Eu3+掺杂的含Ag聚集体的玻璃中我们发现掺杂浓度对样品的发射色坐标有很大影响，但激发波长对发射色坐标影响不大。此外，我们还采用放大的受激发射技术测量了含有Ag聚集体玻璃的光学增益特性，发现该材料在很宽的波长范围内存在净光学增益，并且增益系数平坦，这意味着该材料有可能成为一种宽带可调谐激光工作介质。在项目的研制过程中我们还探索了在硼酸盐玻璃中生长Cu聚集体，通过采用引入还原成分实现了Cu聚集体的生长，并且初步研究了光谱特性，并发现该类材料有可能取得比含Ag聚集体更好的性能和更低的成本。