稀土掺杂同轴纳米电缆的控制合成技术与可调光学性能研究

本项目拟以颜色可调稀土纳米发光材料为研究目标，研究稀土掺杂同轴电缆形貌和成分的控制技术、形成机理以及壁厚控制条件，研究稀土离子进入晶格的具体位置、分布以及对发光性能的影响。通过壁厚控制技术实现纳米同轴电缆白光发光，通过调整外部条件(激发波长和激发功率等)，调节同轴电缆的发光颜色。发展稀土掺杂表征技术、探寻稀土离子进入晶格的直接证据，揭示稀土离子局部晶格环境对稀土发光行为的影响。在此基础上，探索以纳米同轴电缆为基础的节能、可调纳米发光元器件。该项目的研究对有效利用稀土资源，节约能源，改进稀土掺杂检测技术，提高稀土掺杂效率，改善稀土发光材料的质量等方面具有积极的意义。

项目组已经成功制备稀土掺杂一维纳米同轴电缆，基本实现对同轴纳米电缆双层结构的控制合成以及对结构和形貌的控制，并对同轴电缆的形成机理做了分析。研究发现，通过控制电场辅助沉积的时间，可以对同轴电缆外层厚度进行控制。电场沉积5天形成的同轴纳米电缆外径为60-100nm，外层为Y2O3:Eu，芯部为30-40nm厚的 ZnO:Tb。在不同激发条件下，该同轴电缆恰好可以发出黄色和白色光。在488nm激光激发下，同轴电缆中没有发现ZnO的发光，却发现了稀土Eu3+和Tb3+的发光。如果同轴电缆中Tb与Zn的摩尔比固定，将Eu与Y的摩尔比例由0.01增加到0.05，Tb3+的544nm绿光强度增加不明显，而Eu3+的612nm红光强度增强11倍。如果同轴电缆中Eu与Y的摩尔比固定，将Tb与Zn的摩尔比例由0.01增加到0.05，Eu3+的612nm的红强度没有明显增强，而Tb3+的544nm绿光强度增强19倍。这样可以通过改变掺杂量，调整同轴电缆发光的颜色。通过调整稀土离子的掺杂浓度，同轴电缆的发光主要在白光和黄色光之间调控。在250nm紫外氙灯激发下，同轴电缆中除了发现稀土离子的发光之外，还在300–500nm出现强的发光峰。这些发光峰与ZnO中缺陷的发光有关。由于ZnO缺陷发光峰的存在，同轴电缆的发光颜色出现明显的改变。在250nm紫外光激发下，同轴电缆主要发光为白光。这样，项目组已经实现同轴电缆光学性质调控和白光合成。通过对同轴电缆的稀土掺杂研究，项目组发现，在ZnO:Tb/Y2O3:Eu同轴电缆中，绝大多数Eu3+离子进入Y2O3晶格后，占据C2位置，占据C2位置的Eu离子发光以红光为主。而绝大多数Tb3+离子进入ZnO晶格后，替代了Zn2+离子。488nm可见光可以激发黄色发光的同轴电缆阵列，在LED等光电子器件上有着潜在的应用前景。为了进一步研究稀土离子的占据位置，项目组还研究了ZnO:Eu纳米晶中稀土离子的占据位置以及缺陷参与的能量传输行为。研究发现，在450摄氏度退火下制备的样品，Eu3+离子是均匀分布在晶格中的。在700摄氏度退火条件下制备的样品，Eu3+离子析出晶格，并在ZnO的晶体内部的O原子面上形成7-8nm厚的析出层。由于Eu3+离子六配位的要求，在界面上会形成O空位和间隙O缺陷。其中，间隙O在ZnO到发光中心的能量传输过程起到重要的桥梁作用。