[发明专利]一种增强稀土掺杂纳晶粉末材料上转换发光效率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种稀土掺杂固体材料的上转换发光方法，具体地说是一种增强稀土掺杂纳晶粉末材料上转换发光效率的方法。

背景技术

上转换发光是指在长波长低频率激光的泵浦下发出短波长高频率荧光的现象。稀土离子上转换发光在光纤放大器、太阳能电池、短波长激光器等诸多领域已经表现出或潜在着巨大的应用价值。近些年，随着纳米材料技术的飞速发展，出现了纳米量级上的稀土离子掺杂上转换发光材料。纳米尺寸效应与稀土离子上转换发光的结合，催生了稀土掺杂的纳米晶体材料，使其在生物荧光标记、生物检验、生物医药成像等方面获得了广泛的应用，在微纳电子器件等热点研究领域上也产生了极大的利用价值。但是低的上转换发光效率一直是限制这类材料发展和应用的瓶颈。

目前，用于增强上转换发光效率的主要途径有：采用低声子能基质、增加稀土在基质中的固溶度、加入敏化剂、选择合适的泵浦机制、表面等离子体。通过这些途径衍生出许多不同的技术方法，如利用低声子能的氟化物作为掺杂基质，提高稀土离子掺杂浓度，加入Yb³⁺作为敏化剂等，但增强效果都不是很明显。比较有代表性的是掺杂粒子表面等离子体技术。2011年，刘宁等人采用表面等离子体技术在Yb,Tm和Yb,Er共掺样品中获得了超过100倍上转换荧光增长倍数。但其工艺复杂，所用材料（Au）昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单、效果显著、成本低廉的增强稀土掺杂纳晶粉末材料上转换发光效率的方法。

本发明的目的是这样实现的：

用压片机将稀土离子掺杂纳米晶体粉末压制成薄片，用高功率激光照射薄片表面，使照射点处熔融，直至形成微洞，停止激光照射，冷却。

所述高功率激光是指激光器输出的激光束具有能使薄片表面熔融的功率密度。

本发明提供了一种新的提高稀土离子掺杂纳米晶体粉末材料上转换发光效率的技术方法。这种方法不改变稀土掺杂纳晶粉末材料的制备方法、制备条件、掺杂基质，不需掺入其它金属离子，仅通过对已成型的产品进行二次加工，便可取得明显的上转换发光增强。

此方法利用高功率激光对制备好的稀土离子掺杂纳米晶体材料产品表面进行烧蚀加工，烧蚀能量使表面被照射点处熔融（温度达2000℃以上），形成一个直径为十微米量级的烧蚀微洞，冷却后，烧蚀点处产品上转换发光效率获得大幅提高。

基于以上内容，此方法具有如下优点：

适用性广泛。这种方法仅对已制备稀土离子掺杂纳米晶体粉末材料进行二次处理，对原样品粉末材料的制备工艺、制备条件、掺杂离子种类等没有限制。目前，运用此方法已经在不同制备工艺，不同制备时间，不同制备温度，不同稀土离子掺杂（Tm,Yb、Yb,Er、Yb,Ho、Yb,Tm,Ho共掺，Er单掺等），不同掺杂浓度，不同产品基质（ZrO₂、ZnO、Y₂O₃、NaLuF₄等）的样品中获得了很好的增强效果。

操作快速简单，增强效果明显。操作只需利用高功率激光对产品表面烧蚀，冷却后即可使用。查阅文献，目前多数增强方法获得的增强倍数在10倍以内，大部分为5-6倍。本发明的方法可以使增长倍数达10倍以上（图2），甚至超过100倍。

附图说明

图1-1至图1-2是产品被高功率激光烧蚀后的微洞形貌图（扫描电镜测）。其中图1-1表示微洞放大1400倍的形貌，图1-2表示微洞放大4000倍的形貌。孔的直径约为125μm。

图2是荧光增强光谱效果图，采用的样品是用燃烧法制备摩尔掺杂比为Yb：Tm=4%：0.3%的ZrO₂纳米晶材料。曲线1表示未经烧蚀微洞的样品，在输出功率为160mW的980nm波长激光泵浦下的上转换发光光谱；曲线2表示经激光烧蚀微洞后样品表面烧蚀点在相同泵浦功率下的上转换发光光谱。图中475nm波峰烧蚀微孔后增强55倍，801nmn波峰强14倍。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述：

1、用压片机将已经制备好的稀土离子掺杂纳米晶体粉末压制成厚度约1mm的圆形薄片。

2、把圆形薄片固定于产品架上，用低功率激光对准并激发薄片表面，收集产品上转换荧光，用光谱仪测出光谱(图2曲线1)。