基于Dy3+摻雜的硼硅酸鹽玻璃的多色熒光發射及調節

何萬益

摘 要 我們研究了Dy3+摻雜B2O3-SiO2-Na2O-SrF2硼硅酸鹽玻璃的發光性質。紫外光激發下，Dy3+的被激發到高能級的電子向低能級躍遷發射出可見光。同時采用JO理論計算得到的輻射屬性參數表明該玻璃基質具有較好的受激發射能力。引入Ce3+后，不僅能通過Ce3+→Dy3+的能量傳遞增強熒光發射強度，而且能實現熒光發射的調節及白光發射，表明該玻璃體系在白光LED領域具備潛在的應用。

【關鍵詞】電子躍遷 可見光 增強 白光LED

1 引言

Dy3+的藍、黃光這兩個特征發射使得其在光通信，白光LED和太陽能電池等領域具備潛在的技術應用。由于Dy3+的黃光發射躍遷屬于超敏躍遷，很容易受到周圍環境的影響。因此，國內外學者在不斷地研究Dy3+摻雜不同體系玻璃的光學屬性。本文，我們研究了Dy3+在B2O3-SiO2-Na2O-SrF2硼硅酸鹽玻璃中的發光性質，并通過計算輻射屬性參數來評估Dy3+在該玻璃基質中的發光性能。

盡管合適的基質環境會使 Dy3+發出較強強度的黃光，但f-f 禁態躍遷引起的Dy3+的較小的吸收截面使得黃光發射強度仍受到限制，所以如何提高 Dy3+的發射強度一直受到學者們的關注。本文基于能量傳遞的思想，選擇了Ce3+與Dy3+共摻，研究了Ce3+/Dy3+共摻硼硅酸鹽玻璃體系下的增強的藍、黃光發射強度。

由于稀土摻雜的發光玻璃具有發光均勻，制備工藝簡單，良好的熱穩定性和化學穩定性等特點，所以稀土摻雜的發光玻璃具有成為白光LED用發光材料的潛力。Dy3+的特征發射使其可以作為白光發射的激活劑，而Ce3+又能夠發射藍光以作為補償光與Dy3+的發射光復合成白光。于是，我們研究了Ce3+/Dy3+共摻硼硅酸鹽玻璃的熒光發射的調節，并實現了白光發射。

2 Dy3+摻雜的硼硅酸鹽玻璃的多色熒光發光性質

20B2O3-50SiO2-20Na2O-10SrF2-0.5DyF3玻璃的吸收光譜如圖1所示，位于347nm，363nm，385nm，450nm，795nm和888nm處的吸收峰分別對應于基態6H15/2 到激發態 6P7/2，6P5/2，4I13/2，4G11/2，4I15/2和4F9/2的躍遷。根據吸收光譜和JO理論公式[1，2]，采用最小二乘法擬合出 JO參數Ωt（t=2， 4， 6），分別是 28.13×10-20cm2， 1.45×10-20cm2， 1.43×10-20cm2。Ω2表明該基質中Dy3+離子周圍具有高非對稱性環境。光譜質量因子x=Ω4 /Ω6 是衡量玻璃基質受激發射能力的一個重要參數，且在 0.42-1.92范圍內的基質適合用來作為激光材料。該玻璃基質的光譜質量因子是1.01，表明該玻璃基質具有較好的受激發射能力。

不同Dy3+濃度摻雜的玻璃在354nm激發下的發射光譜如圖2所示，發射峰位于482nm，575nm，665 nm處的藍光，黃光和紅光分別對應于4F9/2到6H15/2，6H13/2和6H11/2的躍遷。發射光的強度隨著Dy3+濃度的增大先增大后減??；增大是由于發光中心數量的增多，減小是由于濃度猝滅。根據JO理論求得0.5 Dy3+摻雜玻璃的黃光發射的輻射屬性參數：自發輻射躍遷幾率916.52，熒光分支比0.60，和受激發射截面33.16×10-22cm2。受激發射截面是評估光學材料能量效率的重要參數。該玻璃基質的受激發射截面大于NaLTB玻璃的24.55×10-22cm2，LBTAF玻璃的26.13×10-22cm2，鋇氟硼酸鹽玻璃的27.04×10-22cm2，而且熒光分支比大于0.5。這些參數表明該玻璃基質有潛力應用于激光材料。

3 Ce3+調節的增強的多色熒光發射強度

Ce3+單摻玻璃的激發光譜和發射光譜如圖3所示。由圖可見，Ce3+的發射帶與Dy3+的激發帶有較好的重疊，尤其是Ce3+位于392nm處的發射峰和Dy3+最強的激發峰相對應，表明存在著Ce3+→Dy3+能量傳遞的可能性。由于Ce3+在327nm 處具有較強且較寬的激發帶，而327nm又是Dy3+的其中一個激發峰，所以我們選擇了327nm作為激發波長。327nm 激發下的發射光譜如圖4所示。由圖可知，引入Ce3+后，Dy3+的藍、黃光發射強度得到了明顯的增強，這表明Ce3+將部分能量傳遞給了Dy3+。Dy3+的發射光強度在摻雜 0.5mol Ce3+時達到最大。故在共摻0.5 Dy3+/0.5Ce3+時的藍、黃光發射強度達到最大。

4 Ce3+調節的色坐標

基于我們所研究的硼硅酸鹽玻璃基質中的Dy3+的藍、黃光發射強度得知可以通過補償藍光來實現白光的發射，而Ce3+正好能發射藍光。于是，我們分析了 Ce3+/Dy3+共摻體系的色坐標，如圖5所示。0.5 Dy3+單摻體系的色度坐標為 （0.318， 0.373）。0.5 Ce3+單摻體系的色度坐標為 （0.173， 0.109）。0.5 Dy3+/0.5 Ce3+共摻體系的色度坐標為（0.308，0.280），位于白光區域，這是由于Ce3+的藍光和Dy3+的藍、黃光復合成了白光。

5 總結

我們研究了Dy3+單摻B2O3-SiO2-Na2O-SrF2硼硅酸鹽玻璃的多色熒光發光性質。光譜質量因子，熒光分支比和受激發射截面幾個重要參數表明該基質具有較強的黃光發射能力，有潛力應用于激光材料。在Dy3+/Ce3+共摻玻璃體系中，Ce3+不僅能通過能量傳遞增強Dy3+的熒光發射強度，而且能調節色坐標使其位于白光區域，由此表明Ce3+/Dy3+共摻玻璃體系在白光LED領域具備潛在的應用。

參考文獻

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作者單位

南京郵電大學通達學院 江蘇省揚州市 225127endprint