基于Dy3+掺杂的硼硅酸盐玻璃的多色荧光发射及调节

何万益

摘 要 我们研究了Dy3+掺杂B2O3-SiO2-Na2O-SrF2硼硅酸盐玻璃的发光性质。紫外光激发下，Dy3+的被激发到高能级的电子向低能级跃迁发射出可见光。同时采用JO理论计算得到的辐射属性参数表明该玻璃基质具有较好的受激发射能力。引入Ce3+后，不仅能通过Ce3+→Dy3+的能量传递增强荧光发射强度，而且能实现荧光发射的调节及白光发射，表明该玻璃体系在白光LED领域具备潜在的应用。

【关键词】电子跃迁 可见光 增强 白光LED

1 引言

Dy3+的蓝、黄光这两个特征发射使得其在光通信，白光LED和太阳能电池等领域具备潜在的技术应用。由于Dy3+的黄光发射跃迁属于超敏跃迁，很容易受到周围环境的影响。因此，国内外学者在不断地研究Dy3+掺杂不同体系玻璃的光学属性。本文，我们研究了Dy3+在B2O3-SiO2-Na2O-SrF2硼硅酸盐玻璃中的发光性质，并通过计算辐射属性参数来评估Dy3+在该玻璃基质中的发光性能。

尽管合适的基质环境会使 Dy3+发出较强强度的黄光，但f-f 禁态跃迁引起的Dy3+的较小的吸收截面使得黄光发射强度仍受到限制，所以如何提高 Dy3+的发射强度一直受到学者们的关注。本文基于能量传递的思想，选择了Ce3+与Dy3+共掺，研究了Ce3+/Dy3+共掺硼硅酸盐玻璃体系下的增强的蓝、黄光发射强度。

由于稀土掺杂的发光玻璃具有发光均匀，制备工艺简单，良好的热稳定性和化学稳定性等特点，所以稀土掺杂的发光玻璃具有成为白光LED用发光材料的潜力。Dy3+的特征发射使其可以作为白光发射的激活剂，而Ce3+又能够发射蓝光以作为补偿光与Dy3+的发射光复合成白光。于是，我们研究了Ce3+/Dy3+共掺硼硅酸盐玻璃的荧光发射的调节，并实现了白光发射。

2 Dy3+掺杂的硼硅酸盐玻璃的多色荧光发光性质

20B2O3-50SiO2-20Na2O-10SrF2-0.5DyF3玻璃的吸收光谱如图1所示，位于347nm，363nm，385nm，450nm，795nm和888nm处的吸收峰分别对应于基态6H15/2 到激发态 6P7/2，6P5/2，4I13/2，4G11/2，4I15/2和4F9/2的跃迁。根据吸收光谱和JO理论公式[1，2]，采用最小二乘法拟合出 JO参数Ωt（t=2， 4， 6），分别是 28.13×10-20cm2， 1.45×10-20cm2， 1.43×10-20cm2。Ω2表明该基质中Dy3+离子周围具有高非对称性环境。光谱质量因子x=Ω4 /Ω6 是衡量玻璃基质受激发射能力的一个重要参数，且在 0.42-1.92范围内的基质适合用来作为激光材料。该玻璃基质的光谱质量因子是1.01，表明该玻璃基质具有较好的受激发射能力。

不同Dy3+浓度掺杂的玻璃在354nm激发下的发射光谱如图2所示，发射峰位于482nm，575nm，665 nm处的蓝光，黄光和红光分别对应于4F9/2到6H15/2，6H13/2和6H11/2的跃迁。发射光的强度随着Dy3+浓度的增大先增大后减小；增大是由于发光中心数量的增多，减小是由于浓度猝灭。根据JO理论求得0.5 Dy3+掺杂玻璃的黄光发射的辐射属性参数：自发辐射跃迁几率916.52，荧光分支比0.60，和受激发射截面33.16×10-22cm2。受激发射截面是评估光学材料能量效率的重要参数。该玻璃基质的受激发射截面大于NaLTB玻璃的24.55×10-22cm2，LBTAF玻璃的26.13×10-22cm2，钡氟硼酸盐玻璃的27.04×10-22cm2，而且荧光分支比大于0.5。这些参数表明该玻璃基质有潜力应用于激光材料。

3 Ce3+调节的增强的多色荧光发射强度

Ce3+单掺玻璃的激发光谱和发射光谱如图3所示。由图可见，Ce3+的发射带与Dy3+的激发带有较好的重叠，尤其是Ce3+位于392nm处的发射峰和Dy3+最强的激发峰相对应，表明存在着Ce3+→Dy3+能量传递的可能性。由于Ce3+在327nm 处具有较强且较宽的激发带，而327nm又是Dy3+的其中一个激发峰，所以我们选择了327nm作为激发波长。327nm 激发下的发射光谱如图4所示。由图可知，引入Ce3+后，Dy3+的蓝、黄光发射强度得到了明显的增强，这表明Ce3+将部分能量传递给了Dy3+。Dy3+的发射光强度在掺杂 0.5mol Ce3+时达到最大。故在共掺0.5 Dy3+/0.5Ce3+时的蓝、黄光发射强度达到最大。

4 Ce3+调节的色坐标

基于我们所研究的硼硅酸盐玻璃基质中的Dy3+的蓝、黄光发射强度得知可以通过补偿蓝光来实现白光的发射，而Ce3+正好能发射蓝光。于是，我们分析了 Ce3+/Dy3+共掺体系的色坐标，如图5所示。0.5 Dy3+单掺体系的色度坐标为 （0.318， 0.373）。0.5 Ce3+单掺体系的色度坐标为 （0.173， 0.109）。0.5 Dy3+/0.5 Ce3+共掺体系的色度坐标为（0.308，0.280），位于白光区域，这是由于Ce3+的蓝光和Dy3+的蓝、黄光复合成了白光。

5 总结

我们研究了Dy3+单掺B2O3-SiO2-Na2O-SrF2硼硅酸盐玻璃的多色荧光发光性质。光谱质量因子，荧光分支比和受激发射截面几个重要参数表明该基质具有较强的黄光发射能力，有潜力应用于激光材料。在Dy3+/Ce3+共掺玻璃体系中，Ce3+不仅能通过能量传递增强Dy3+的荧光发射强度，而且能调节色坐标使其位于白光区域，由此表明Ce3+/Dy3+共掺玻璃体系在白光LED领域具备潜在的应用。

参考文献

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作者單位

南京邮电大学通达学院 江苏省扬州市 225127endprint