[发明专利]一种上转换发光的Er/Yb共掺杂TiO2薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能和激光技术领域，具体涉及基于稀土掺杂上转换发光薄膜的制备方法。

背景技术

上转换发光是通过吸收两个或者多个波长较长的光子而发出一个波长较短的光子来实现的反斯托克斯发光。稀土元素的电子构型使得其成为上转换发光材料的首选。我国是稀土资源丰富的国家，基于稀土的激光材料和发光材料已经得到越来越多的关注，目前利用稀土元素掺杂来实现上转换发光的研究也得到广泛开展，其主要应用于光纤通信、数据存储，激光器等方面的光学器件^[1]，也可应用于太阳能电池。上转换发光材料中基于Er³⁺掺杂的上转换发光材料已有不少报道。Er³⁺的能级对于980 nm单泵浦光源的上转换发光非常有利，同时作为Er³⁺的敏化离子Yb³⁺在980 nm具有较大的吸收截面并且能有效地将能量传递给Er³⁺，可以进一步加强吸收，提高上转换发光效率。上转换发光的产生离不开合适的基质材料，但不同基质材料的声子能量不一样，其对上转换发光效率影响很大。目前应用于稀土掺杂上转换发光的基质材料主要分为三种：氟化物、氧化物和氯化物。氟化物声子能量很低但是机械性能较差，氯化物机械性能很好但是声子能量很大，氧化物具有相对较低的声子能量和优良的机械性能而被广泛应用。氧化物中的TiO₂具备较低的声子能量而被用作上转换发光的基质材料，而且TiO₂作为一种重要的半导体材料，具有优良的光学、电学特性，加之耐光腐蚀能力强、化学、力学性能稳定、价格低廉及对人体无毒性等优点。近年来有文献报道了Er掺杂TiO₂粉体材料的制备^[2]，然而由于粉体材料在实际应用中的局限性， Er/Yb共掺杂TiO₂薄膜材料开始得到了重视。薄膜材料有利于制作光学波导器件^[3]，也可应用于太阳能电池^[4][5]。目前关于制备Er/Yb共掺杂TiO₂薄膜材料主要采用溶胶-凝胶(sol-gel)法^[6]，而未见磁控溅射制备技术的报道。溶胶-凝胶法制备得到的薄膜厚度难以精确控制，薄膜致密性较差，均匀程度低，机械和光学性能较差。采用磁控溅射法制备Er/Yb共掺杂TiO₂薄膜可以有效克服溶胶-凝胶法的缺点。

本发明利用磁控溅射技术制备Er/Yb共掺杂TiO₂薄膜，靶材为镶嵌金属Er片和Yb片的TiO₂陶瓷靶。根据金属Er和Yb以及TiO₂的溅射产额，通过调整Er、Yb和TiO₂靶在溅射刻蚀区的面积来控制Er/Yb的掺杂含量。制膜过程在真空室中一次完成，掺杂浓度、薄膜厚度都可以精确控制，方法简便高效。将制备得到的Er/Yb共掺杂TiO₂薄膜置于电阻炉内进行退火，从而得到具有上转换发光性能的薄膜。通过改变薄膜厚度，掺杂浓度和热处理条件等工艺参数，可得到具有最佳上转换发光性能的Er/Yb共掺杂TiO₂薄膜。

参考文献

[1] San-Yuan Chen, Chu-Chi Ting, Wen-Feng Hsieh. Comparison of visible fluorescence properties between sol-gel derived Er³⁺-Yb³⁺ and Er³⁺-Y³⁺ co-doped TiO₂ films. Thin Solid Films. 2003,434:171-177

[2] 白凌云,苏显云,雷明凯. 络合作用对sol-gol法制备Er³⁺掺杂TiO₂粉末光致发光特性影响. 无机材料学报. 2006,21(5):1085-1091