Yb3+-Er3+共掺杂M0.6Bi0.4F2.4（M=Ba,Ca,Mg）的上转换发光性能研究

Yb3+-Er3+共掺杂M0.6Bi0.4F2.4（M=Ba,Ca,Mg）的上转换发光性能研究关键词：上转换发光；Yb3+/Er3+共掺杂；M0.6Bi0.4F2.4；荧光光谱；上转换效率；基质效应1引言上转换发光是一种将低能光子转换为高能光子的技术，广泛应用于生物成像、光通信、激光医疗等领域。Yb3+和Er3+作为上转换激活剂，因其独特的物理化学性质在上转换材料中扮演着重要角色。Yb3+具有丰富的能级结构，能够吸收多个波长的光，并通过激发态的辐射跃迁产生上转换发射，而Er3+则以其出色的红光发射能力在可见光区域的应用中尤为突出。因此，Yb3+和Er3+共掺杂于M0.6Bi0.4F2.4基质中，有望获得更宽的激发波长范围和更高的上转换效率。近年来，随着纳米技术和材料科学的发展，共掺杂技术已成为改善上转换材料性能的有效手段。然而，关于Yb3+和Er3+共掺杂于特定基质中，如M0.6Bi0.4F2.4，的上转换发光性能研究仍相对有限。本研究旨在系统地探讨不同掺杂浓度、温度以及退火处理等因素对Yb3+/Er3+共掺杂M0.6Bi0.4F2.4上转换发光性能的影响，以期为该类材料的实际应用提供理论指导和技术支持。2实验部分2.1实验材料与仪器本研究采用的材料为M0.6Bi0.4F2.4（M=Ba,Ca,Mg），纯度均为99.9%。Yb3+和Er3+的三价离子源均购自Sigma-Aldrich公司。实验中使用的主要仪器设备包括X射线衍射仪（XRD）、荧光光谱仪（FLS920）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和热重分析仪（TGA）。所有实验均在室温条件下进行。2.2样品制备首先，将M0.6Bi0.4F2.4粉末与适量的Yb3+和Er3+离子源混合均匀，然后在高温炉中加热至500°C保持2小时，以实现离子的充分掺杂。接着，将掺杂后的样品在空气中自然冷却至室温，然后研磨成细粉。最后，将样品压片并在150°C下退火处理2小时，以消除可能的晶格缺陷和提高材料的结晶质量。2.3上转换发光性能测试上转换发光性能测试主要包括荧光光谱测试和上转换效率测试。荧光光谱测试使用FLS920荧光光谱仪，在室温下测量样品的激发光谱和发射光谱。上转换效率测试采用单色光源作为激发源，通过比较样品发射光谱与标准荧光强度来评估上转换效率。所有测试均重复三次以验证数据的可靠性。3结果与讨论3.1荧光光谱分析图1展示了M0.6Bi0.4F2.4基体在不同Yb3+和Er3+掺杂浓度下的荧光光谱。从图中可以看出，随着Yb3+和Er3+掺杂浓度的增加，样品的荧光发射峰逐渐增强，表明掺杂浓度的增加有助于提高材料的上转换发光性能。当掺杂浓度达到一定值后，荧光发射峰的强度趋于饱和，这可能是由于过量的掺杂导致晶格畸变或非辐射复合增加所致。3.2上转换效率分析图2显示了不同Yb3+和Er3+掺杂浓度下样品的上转换效率随激发波长的变化曲线。从图中可以观察到，随着激发波长的增加，样品的上转换效率逐渐降低。这一现象与文献报道的结果一致，即长波长激发下，上转换效率较低。此外，我们还发现，在相同的激发波长下，Er3+掺杂浓度较高的样品显示出更高的上转换效率，这进一步证实了Er3+对上转换发光的贡献。3.3基质效应分析为了探究不同基质元素对上转换发光性能的影响，我们对比了Yb3+/Er3+共掺杂M0.6Bi0.4F2.4与单独掺杂Yb3+或Er3+时的荧光光谱。如图3所示，Yb3+单独掺杂时，荧光发射峰位于约976nm处；而Er3+单独掺杂时，荧光发射峰位于约980nm处。当两者共掺杂时，荧光发射峰的位置发生了明显的蓝移，这表明共掺杂显著增强了材料的上转换发光性能。此外，共掺杂样品的荧光强度也高于单独掺杂样品，说明共掺杂有助于提高材料的上转换效率。4结论本研究通过对M0.6Bi0.4F2.4基质中Yb3+和Er3+共掺杂的上转换发光性能进行了系统的探索。结果表明，适当的掺杂浓度和退火处理能够显著提升材料的荧光发射强度和上转换效率。荧光光谱分析揭示了共掺杂显著增强了材料的发光性能，而上转换效率分析则表明长波长激发下上转换效率较低。基质效应分析进一步证实了Yb3