Yb-(3+)团簇的合作跃迁研究

Yb~(3+)团簇的合作跃迁研究合作跃迁是一种非常特殊的光频转换过程，它可以在离子不存在能级的光谱区段发射或吸收光子，自发现以来无论是在理论上还是在实验上都一直吸引着研究者的关注。关于两个离子的合作发光，著名原子物理理论学家D.L.Dexter利用一阶微扰理论首先给出了两个离子之间合作几率的计算方法。随后研究者逐步完善了合作跃迁理论，并且报道了合作跃迁在三维显示、光学双稳、结构探针等方面展示出的应用前景。对于三个离子之间的合作跃迁，Dexter指出：―根据一阶微扰波函数的形式，三个离子之间的合作几率由于项项相消结果为零，因此这种过程是无法发生的。‖Dexter指出耦合波函数的二级修正可以允许这种三个离子合作跃迁的发生，不过这种跃迁的几率已经低到没有必要进行计算的程度。在其后的50年里，没有人再提及过利用二级微扰波函数计算三个离子的合作跃迁，同时三个相同镧系离子共同参与的合作发光也鲜有人报道。合作发光与合作吸收之前都专指两个离子之间的相互作用，本文的研究修正了这种固有观点，拓宽了合作发光、合作敏化的上转换发光范围。本文中提到的团簇，是指由三个或三个以上离子构成的能够进行合作跃迁的结构单元，我们称之为稀土离子荧光团簇。本论文围绕Yb3+团簇合作发光及合作能量传递中的光与物质相互作用这一基本科学问题开展研究，包含以下三方面内容。1、利用改良的材料制备方法，在以CaF2为基质的材料中，我们观察到了Yb3+离子对（Yb3+-dimer）显著增强的合作发光。在此基础上，我们首次在室温下观察到了中心波长位于343nm的荧光发射。其发射光谱与Yb3+离子发射光谱的三阶卷积结果符合的很好；荧光发射的寿命约为Yb3+离子发射寿命的三分之一；光子数拟合n值约为3。这些实验结果表明，这个荧光发射来自于三个Yb3+离子（Yb3+-trimer）的合作发光。利用高分辨光谱测量法得到了具有精细结构的低温发射光谱，我们发现实测光谱与理论计算光谱的峰形基本一致。我们给出了发射光谱的峰位对应关系，发现其中一些发射峰与理论位置相比发生了蓝移。2、在980nm激光的激发下，我们在CaF2:Yb3+,Gd3+样品中首次观察到了Gd3+离子的上转换发光（315nm）。光谱分析证实了Gd3+离子6P7/2能级的布居源自于Yb3+团簇的合作能量传递。在980nm激光的激发下，我们在CaF2:Yb3+,Gd3+样品中首次观察到了来自Gd3+离子6IJ能级、中心位于282nm的上转换发射。对于Gd3+离子315nm的发射，光子数拟合结果n值为4。光谱学结果表明，Gd3+离子的能级布居主要来源于Yb3+四聚体（Yb3+-tetramer）的合作能量传递。3、我们研究了在紫外光激发下CaF2:Yb3+样品的光学特性。激发光谱结果表明材料在250nm到310nm之间存在较强的吸收。在紫外光激发下，Yb3+离子在980nm附近产生多条荧光发射峰，这些发射峰来自于Yb3+离子激发态到基态Stark劈裂能级之间的跃迁。Yb3+离子发射的选择激发光谱表明了材料的紫外吸收来源于Yb-O电荷迁移带。我们设计了一套量子效率测试装置，利用相对法得出了约为82%的量子效率值。在太阳能电池实验中，我们发现材料能够提高太阳能电池在紫外区的响应。在紫外光的激发下，我们首次观察到了Yb3+离子对的合作发光。我们的研究结果在实验上证实了三个Yb3+离子共同参与的合作发光以及四个Yb