新型氧化钛基上转换发光玻璃的悬浮制备及发光机理研究

本项目组在前期研究工作中，利用悬浮无容器凝固技术，在国际上首次成功地制备出新型氧化钛基功能玻璃材料BaTi2O5，该材料具有特异的非对称多面体TiO5新结构，接近于钻石的折射率，特别是具有优于强发光氟化基玻璃的绿光发光效应、耐腐蚀及耐高温性，是新一代的高性能上转换发光材料。但其发光机理至今还未完全明确。本项目将利用悬浮凝固技术，结合高能X射线同步辐射、中子衍射以及分子动力学计算，研究氧化钛基化合物在无容器凝固条件下的非平衡亚稳相形成过程及其微观结构，揭示该新型上转换发光玻璃体的发光起源。同时，探索稀土掺杂浓度、加热温度，冷却速度及悬浮条件对材料特异结构以及上转换发光性能的作用规律，确立制备高效、高强、耐高温新型上转换发光玻璃的最佳实验条件，开拓高性能氧化物发光材料的制备新途径。通过上述研究，为开发其它类型结构和功能全新的材料提供技术和理论支撑。

氧化钛由于具有小的声子能量，是具有广泛应用前景的上转换发光基体材料，但其由离子键构成的特点使得很难形成玻璃。本项目采用无容器技术，成功制备出一系列新型的氧化钛基玻璃材料，对其结构和性能进行了研究，得到如下成果或结论：（1）开发出La2O3-TiO2-ZrO2、La2O3-TiO2-Ta2O5以及BaTi2O5-Gd2O3等多种新型的玻璃材料。（2）通过掺入Er3+、Nd3+、Ho3+、Tm3+、Yb3+等稀土离子产生上转换发光效应，分别得到了绿、黄和蓝色的上转换发光，确定出发光效应最强化的稀土离子浓度范围。（3）通过热处理在玻璃材料中析出纳米微晶，发现微晶的形成显著提高玻璃的上转换发光强度，发光性能最高可增加11倍以上。（4）利用上海光源的同步辐射光及其他技术，研究了钛酸盐玻璃及其纳米晶玻璃陶瓷的结构，发现这类材料为非各向同性材料体系。（5）热力学和和热动力学研究发现，钛酸盐材料的玻璃化转变温度及析晶温度均大于800°C，具有高的热稳定性，不同掺杂离子玻璃的热稳定性大小为： Ho3+﹥Er3+﹥Nd3+。（6）对稀土掺杂的氧化钛玻璃及纳米玻璃陶瓷材料的上转换发光机理进行了研究，发现钛酸盐玻璃材料中，主要以双光子吸收机制为主，揭示了各种稀土离子的能量传递方式。