[发明专利]一种高效绿色上转换发光复合薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种绿色上转换发光复合薄膜及其制备方法。

背景技术

稀土掺杂发光薄膜在有源光波导器件、光学传感等方面具有十分诱人的应用前景，稀土掺杂发光薄膜还可作为更为紧凑且价格低廉的上转换可见光源等方面。然而稀土掺杂发光薄膜区别于纳米晶材料以及其他体材料，薄膜厚度小、晶体结构具有择优取向等特点，造成其发光性能普遍较低。目前有从薄膜内部和薄膜外部两条途径来改善稀土掺杂发光薄膜的发光性能。

从薄膜内部出发，可以选择具有较高发光性能的稀土掺杂氟化物作为薄膜层，但氟化物制备工艺复杂、污染严重、生产成本高、生产环境条件要求严格，在研究和实际应用中存在诸多困难。相对于氟化物，氧化物具有力学性能优良、结构稳定、损伤阈值且制备工艺简单、产率高更适合生产和应用等优点。但氧化物较高的声子能量使其发光效率显著低于氟化物。利用不同掺杂离子之间的能量传递过程能够有效增强稀土掺杂氧化物的发光，其中Yb³⁺离子是典型的敏化剂。过渡金属离子也能通过高阶激发态能量传递过程有效提高稀土离子发光。然而由于薄膜结构的限制，上述方法的发光增强效果仍然不佳。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单、无污染、成本低、发光增强效果好的高效绿色上转换发光复合薄膜及其制备方法。本发明的产品是具有贵金属/ZnO纳米棒阵列/稀土掺杂氧化物的三层结构高效绿色上转换发光复合薄膜，本发明的制备方法是结合磁控溅射法、水热法和旋涂法三种工艺在衬底上依次制备贵金属层、ZnO纳米棒阵列层和稀土掺杂氧化物层，形成三层结构的复合薄膜。

一、本发明的高效绿色上转换发光复合薄膜是一种由贵金属层、ZnO纳米棒阵列层和稀土掺杂氧化物层共三层构成的具有高效绿色上转换发光特性的复合薄膜，其中贵金属薄膜层厚度为1～15nm，ZnO纳米棒阵列厚度为0.5～2μm，稀土掺杂氧化物层厚为100～500nm。贵金属是Au或者Ag，稀土元素为铒和镱。

二、本发明的高效绿色上转换发光复合薄膜制备方法如下：

1)通过磁控溅射法在衬底上沉积一层贵金属薄膜，衬底是单晶硅或者玻璃，贵金属是Au或者Ag，溅射方法是直流溅射和射频溅射中的一种，薄膜厚度可以通过溅射功率、溅射时间和溅射气体气压控制；溅射功率为30～120W，溅射时间为20～300s，溅射气体为Ar气，气压为0.3～0.9Pa；

2)通过磁控溅射法在步骤1)制备的贵金属薄膜上沉积ZnO籽晶，溅射方法为射频溅射ZnO靶，ZnO籽晶的厚度可以通过溅射功率、溅射时间和溅射气体气压进行控制，溅射功率为30～120W，溅射气体为Ar气，气压为0.3～0.9Pa，溅射时间为1～10min；随后将获得的产物以20℃/min的速率升至300℃并保温30min，然后自然冷却至室温。

3)将步骤2)获得的产物放入装有锌源溶液的反应釜中，通过水热法在一定温度下反应一段时间，以ZnO籽晶为核心生长ZnO纳米棒阵列；锌源溶液为醋酸锌(Zn(Ac)₂·2H₂O)或者硝酸锌(Zn(NO₃)₂·2H₂O)中的一种和六次甲基四胺((CH₂)₆N₄)的等摩尔浓度混合溶液，ZnO纳米棒阵列的纳米棒直径和长度可以通过水热法的反应时间、反应温度和锌源溶液浓度控制，反应时间为0.5～5h，反应温度为80～95℃，锌源混合溶液浓度为0.01～0.05mol/L；反应完成后用去离子水反复冲洗生长有ZnO纳米棒阵列的产物，除去吸附的多余离子和胺盐并在空气中晾干。

4)通过旋涂法在步骤3)制备的贵金属/ZnO纳米棒阵列表面旋涂稀土掺杂氧化物原溶液，原溶液的旋涂分为两次，首先旋涂摩尔比为1:10的硝酸铒(Er(NO₃)₃·5H₂O)和硝酸镱(Yb(NO₃)₃·5H₂O)的乙醇溶液，然后旋涂一层等体积的与硝酸铒摩尔比为6:1的七钼酸铵((NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O)的水溶液，其中七钼酸铵水溶液的pH值通过1M的NaOH溶液调至7。通过旋涂法将等体积的上述两种溶液以2500r/min的速度旋涂到贵金属/ZnO纳米棒阵列表面。