Yb3+/Tm3+共掺Y2（MoO4）3的上转换发光

韩知燕+丁丁+沈吴建+杨方勇+方则栋

【摘 要】采用水热法制备了Yb3+/Tm3+共掺Y2（MoO4）3系列上转换发光粉。由于Tm3+在980nm附近没有吸收，单掺Tm3+的样品观测不到任何发射。引入Yb3+后，借助Yb3+对980nm红外光的吸收和Yb3+到Tm3+的能量传递，在可将光区观察到源自Tm3+的蓝光和红光。这两个波段的发射随着Yb3+和Tm3+的浓度增加均呈现先增强后减弱的变化规律，8%和0.5%对应Yb3+和Tm3+的最佳掺杂浓度。上转换发射的功率关系研究表明，蓝、红光均为三光子过程，因此二者的产生过程为连续三步Yb3+到Tm3+的能量传递。

【关键词】上转换；Y2（MoO4）3；Yb3+/Tm3+共掺；蓝光

0 引言

最近，由于Tm3+的480 nm蓝光发射在光存储和短波长激光器领域具有巨大应用潜力越来越多的关注开始聚焦Tm3+掺杂的上转换发光[1-3]。为了获得高效的上转换蓝光发射，基质晶格的选取以及掺杂剂浓度的优化至关重要[4-6]。Y2（MoO4）3的声子能大小适中，理论上非常适合Yb3+/Tm3+共掺这一类非共振能量传递系统的掺杂[7]。

本论文采用简单的水热法制备了Yb3+/Tm3+共掺Y2（MoO4）3上转换发光粉，详细研究了Yb3+和Tm3+浓度变化对上转换发光的影响，并上转换发射的功率关系讨论了可能的上转换发光原理。

1 实验

1.1 Tm3+/ Yb3+共掺杂 Y2（MoO4）3的制备

简单的共沉淀法用于制备 Tm3+/ Yb3+共掺杂 Y2（MoO4）3系列荧光粉。典型的工艺如下：按化学计量比称取一定量的Y（NO3）3·6H2O、Yb（NO3）3·6H2O和Tm（NO3）3·6H2O，并溶解与15ml的去离子水中，配成溶液A。另称取一定量的Na2（MoO4）3·2H2O制成40ml的水溶液，记为溶液B。溶液B在磁力搅拌情况下，迅速加入溶液A，待反应30min后，离心收集并60°C干燥过夜。随后于900℃焙烧1小时得到Tm3+/ Yb3+共掺杂 Y2（MoO4）3系列荧光粉。

1.2 发射光谱的检测

F-4600分光光度计用于测量所有样品的上转换光谱，所用激发源为2W的光纤激光器，测试条件为室温。

2 结果与讨论

众所周知，敏化剂Yb3+的浓度对Tm3+的上转换发光有重要的影响，为了优化材料化学组成，获得Y2（MoO4）3晶格中的最佳Yb3+掺杂浓度，我们测试了Y2（MoO4）3： 0.5%Tm3+/ x%Yb3+（x=0%，2%，5%，8%，12%）的上转换发光。结果如图1所示，当Yb3+浓度为0%时Tm3+并不发光，这主要因为Tm3+在980nm附近没有吸收。当引入Yb3+离子后，我们观察到Tm3+的特征发射，即源自1G4到3H6的蓝光和1G4到3H4的红光。而且，随着Yb3+浓度的增加Tm3+的特征发射呈现先增强后减弱的变化规律。其中8%Yb3+为本实验的最佳掺杂浓度，在相同的测量条件下其它样品的发射强度不足6000，而该样品的发射强度已经超出光谱仪的最大量程。另外，图中在516～572nm波段观察到微弱的绿光发射，通过与Y2（MoO4）3： Er3+/ Yb3+的特征发射进行比对，这一波段的发射并不属于Tm3+的特征发射，而源自原料中的微量杂质Er3+的发光。

激活剂Tm3+浓度对自身的发光强度也有一定的影响，因此通过固定Yb3+浓度为8%，我们又测量了Y2（MoO4）3： y%Tm3+/ 8%Yb3+（y= 0.25%，0.5%，1%，1.5%，2%）在980nm辐射下的上转换发光（图1插图）。很明显，当Tm3+浓度由0.25%增加到2%，Tm3+的特征发射先增强后减弱，最佳的掺杂浓度为0.5%。

为了理解Y2（MoO4）3： Tm3+/Yb3+的上转换发光，我们结合不同泵浦功率下的上转换光谱计算了Y2（MoO4）3：5%Tm3+/ 8%Yb3+的功率关系，结果显示对应1G4→3H6和1G4→3H4跃迁的蓝、红光的功率关系均为3。这意味着实现一个蓝光或红光光子的发射，需要吸收三个红外光子。结合能量匹配原理，Yb3+到Tm3+的连续三步能量传递负责蓝光和红光的发射[7]。

图1 Y2（MoO4）3： 0.5%Tm3+/ x%Yb3+（实线）和Y2（MoO4）3： Er3+/ Yb3+（虚线）的上转换发光，x=0%，2%，5%，8%，12%， 图中插图：Y2（MoO4）3： y%Tm3+/ 8%Yb3+ （y=0.25%，0.5%，1%，1.5%，2%）的上转换发光

3 结论

（1）单掺Tm3+的样品在980 nm辐射下不产生任何Tm3+的特征发射。

（2）引入Yb3+后，可以观察到源自Tm3+的蓝光和红光。并且随着Yb3+的增加，蓝光和红光呈现先增强后减弱的变化，8%Yb3+为最佳掺杂浓度。

（3）当Tm3+浓度由0.25%增加到2%时，Tm3+的特征发射也呈现先增强后减弱的变化，最佳掺杂浓度为0.5%。

（4）Yb3+到Tm3+的连续三步能量传递负责Tm3+的蓝、红光发射。

致谢

感谢湖州师范学院理学院庞涛老师的指导。

【参考文献】

[1]Xiao S G， Yang X L， Ding J W， et al. J. Phys. Chem. C， 2007， 111： 8161-8165[Z].

[2]李瑞琴，邱建备，杨正文，等.光谱学与光谱分析，2014， 3： 630-633[Z].

[3]徐时清，黄俊，张丽艳，等.发光学报，2006，26：225-229[Z].

[4]庞涛，曹望和.科学通报，2007，52：2226-2229[Z].

[5]Pang T， Cao W H， Fu Y， et al. Mater. Lett.， 2008， 62： 2500-2502[Z].

[6]Pang T， Cao W H， Xing M M， et al. Physica B， 2010， 405： 2213-2219[Z].

[7]Pang T， Cao W H， Xing M M， et al， Opt. Mater.， 2011， 33： 485-489[Z].

[责任编辑：杨玉洁]