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Tb~(3+)-Yb~(3+)掺杂纳米晶和玻璃的近红外量子剪切性质研究

作　者: 王丹
导　师: 张治国
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 光学
关键词: 近红外量子剪切 Tb3+-Yb3+体系 Y2O3纳米晶 NaYF4纳米晶氟氧玻璃
分类号: O482.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

传统的化石能源均为不可再生能源,长期使用将会造成能源的枯竭,因此太阳能作为一种新型可再生资源倍受人们关注。然而对于硅基太阳能电池,由于热损失的存在,电池的转换效率仍处在很低的水平。近红外量子剪切是指将一个可见波段光子转换为两个波长在1μm附近的近红外光子。因此通过量子剪切可以大大降低电池的热损失,进而提高电池效率。基于以上目的,本文对Tb³⁺-Yb³⁺体系量子剪切现象和性质进行了研究。开展了近红外量子剪切检测和评价方法的研究。设计并建立了研究所需的吸收光谱测量装置、荧光光谱测量装置以及时间分辨光谱测量装置。在时间分辨光谱测量中,利用电光调制器对连续激光束的偏振方向进行调节,从而实现了对光强的调制。系统的时间分辨可达0.02 ms。开展了Tb³⁺,Yb³⁺掺杂Y₂O₃和NaYF₄纳米晶量子剪切性质的研究。利用473 nm激光激发Tb³⁺,获得了Yb³⁺的1μm附近荧光发射。对Y₂O₃:Tb³⁺,Yb³⁺的光谱分析表明:随Yb³⁺浓度增加,Tb³⁺荧光强度和5D4能级寿命逐渐减小,证明了Tb³⁺向Yb³⁺的能量传递;Yb³⁺荧光强度先增加后减小,当Tb³⁺和Yb³⁺浓度分别为1 mol %和3 mol %时,Yb³⁺荧光强度达最大值,该浓度下的量子产率为110%。研究发现Yb³⁺荧光强度与泵浦功率成线性关系,从而确定了该基质中量子剪切为合作能量传递机制。而在NaYF₄:Tb³⁺,Yb³⁺中,发现Yb³⁺荧光强度与泵浦功率呈非线性关系,为此提出了新的量子剪切模型。开展了Tb³⁺、Yb³⁺掺杂氟氧玻璃量子剪切性质的研究。利用高温固相法制备了Tb³⁺、Yb³⁺掺杂氟氧玻璃,在473 nm激光激发下,获得了较强的荧光发射。光谱分析表明,Yb³⁺近红外荧光最强时,Tb³⁺和Yb³⁺浓度分别为2 mol %和10 mol%,此时的量子产率为139%。对Yb³⁺近红外荧光的衰变曲线以及功率曲线进行探测,其结果与速率方程推导结果一致,进一步确定了氟氧玻璃中Tb³⁺-Yb³⁺体系量子剪切机制为二阶合作下转换或一阶两步下转换机制。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-16
  1.1 课题的研究背景  9-10
  1.2 量子剪切技术简介  10-13
    1.2.1 可见波段量子剪切  11-12
    1.2.2 近红外波段量子剪切  12-13
  1.3 国内外研究现状及分析  13-15
  1.4 课题主要研究内容  15-16
第2章近红外量子剪切测量方法研究  16-26
  2.1 引言  16
  2.2 激发光谱测量方法  16-19
  2.3 吸收光谱测量方法  19
  2.4 量子剪切荧光光谱测量方法  19-22
    2.4.1 可见波段荧光光谱测量方法  20-21
    2.4.2 近红外波段荧光光谱测量方法  21-22
  2.5 时间分辨荧光光谱测量方法  22-25
  2.6 本章小结  25-26
第3章 Y_20_3和NaYF_4中Tb~(3+)-Yb~(3+)量子剪切性质研究  26-44
  3.1 引言  26
  3.2 Y_20_3基质中Tb~(3+)/Yb~(3+)下转换发光性质研究  26-37
    3.2.1 溶胶-凝胶法制备Y_20_3: Tb~(3+)/Yb~(3+)样品简介  27-28
    3.2.2 样品激发光谱分析  28-29
    3.2.3 Yb~(3+)浓度变化对样品发光的影响  29-31
    3.2.4 结合荧光衰变曲线分析体系量子产率  31-33
    3.2.5 结合功率曲线分析氧化物基质中的量子剪切机制  33-37
  3.3 NaYF_4: Tb~(3+)/Yb~(3+)样品下转换发光性质研究  37-43
    3.3.1 共沉淀法制备样品简介  38-39
    3.3.2 样品荧光光谱探测  39-40
    3.3.3 结合稳态速率方程分析氟化物基质中的量子剪切机制  40-43
  3.4 本章小结  43-44
第4章氟氧玻璃中Tb~(3+)-Yb~(3+)量子剪切性质研究  44-54
  4.1 引言  44
  4.2 高温固相法制备样品简介  44-45
  4.3 Tb~(3+)/Yb~(3+)共掺氟氧化物玻璃荧光特性  45-53
    4.3.1 玻璃吸收性能表征  45-46
    4.3.2 下转换荧光光谱探测  46-48
    4.3.3 功率曲线探测以及下转换发光机理分析  48-49
    4.3.4 下转换荧光寿命探测以及合作能量传递效率计算  49-53
  4.4 本章小结  53-54
结论  54
展望  54-55
参考文献  55-61
攻读学位期间发表的学术论文  61-63
致谢  63

Tb~(3+)-Yb~(3+)掺杂纳米晶和玻璃的近红外量子剪切性质研究

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