近中紅外發光玻璃是制備近中紅外光光源的核心材料，但是玻璃中含有的羥基是近中紅外發光的淬滅中心與光吸收損耗的主要原因。怎樣降低玻璃中的羥基含量成為提升近中紅外發光玻璃的發光效率并降低光吸收損耗的重要方法。
湘潭大學徐昌富老師課題組利用能與羥基進行反應的化學澄清劑在玻璃熔融過程中分解氧化釋放出氣體，這些氣體部分能夠與羥基反應、形成氣泡逸出玻璃液，促使水氣加速從玻璃液中析出，從而達到降低玻璃中羥基含量的目的。使用化學澄清劑來降低玻璃中的羥基含量，需要根據玻璃的基質材料與摻雜離子種類來確定。玻璃熔融溫度較低的使用分解或氧化溫度較低的化學澄清劑，如碲酸鹽玻璃可以使用硝酸鹽作為化學澄清劑；玻璃熔融溫度較高的使用分解或氧化溫度較高的化學澄清劑，如硅酸鹽可以使用硫酸鹽作為化學澄清劑；如果玻璃基質成分或者摻雜離子易氧化或者紅外發光激化中心離子易氧化，則需要使用還原性化學澄清劑，如硫氧玻璃和摻鉍玻璃。另外，由于玻璃對羥基或水分子都具有一定的固溶度，在玻璃熔融過程中，空氣中的水分子在玻璃液中達到溶解平衡，為了防止空氣中的水分子重新溶入玻璃液中，要求熔融過程盡量將玻璃液與空氣隔離。
徐昌富教授課題組在之前的研究中發現，高濃度ZnF2可以有效增強Er3+/Yb3+共摻雜氧氟亞碲酸鹽玻璃2.85um的近紅外發光，為了進一步證明ZnF2對玻璃去羥基的增強作用。在本文中，制備了一系列Er3+/Yb3+共摻雜氧氟亞碲酸鹽玻璃，研究ZnF2含量對玻璃結構、羥基含量、取代PbF2時聲子能量與近中紅外特性。
圖1玻璃基質成分為50TeO2-(47.5-x)PbF2-xZnF2-1.5YbF3-1ErF3(x=0, 10, 20, 30, 47.5)的(a)近紅外發光，(b)中紅外發光，(c) Raman光譜，(d)紅外透射光譜。
由圖可見，伴隨著ZnF2逐漸取代PbF2，玻璃的近中紅外發光逐漸增強。由于玻璃基質成分的改變，玻璃的聲子能量是隨著ZnF2用量的增加而逐漸增大的，玻璃聲子能量增大一般會造成發光強度減弱，說明有別的因素存在。而(d)圖顯示，ZnF2逐漸取代PbF2，玻璃的羥基吸收強度逐漸減弱。根據(d)圖利用公式α(OH-)=ln(T0/T)/l，N(OH-)=NAα(OH-)/ε計算結果如表1。
表1玻璃基質成分為50TeO2-(47.5-x)PbF2-xZnF2-1.5YbF3-1ErF3(x=0, 10, 20, 30, 47.5)的羥基吸收系數與羥基濃度
parameter | Zn-0 | Zn-10 | Zn-20 | Zn-30 | Zn-47.5 |
α(OH-), cm-1 | 2.30 | 1.48 | 1.05 | 0.95 | 0.72 |
N(OH-)(×1019cm-3) | 2.817 | 1.814 | 1.287 | 1.165 | 0.882 |
根據表1的結果顯示，隨著ZnF2逐漸取代PbF2，玻璃中的羥基吸收系數逐漸減弱、羥基濃度逐漸減小，說明利用ZnF2取代PbF2制備出來的玻璃具有更低的羥基濃度，而羥基又是玻璃紅外發光的淬滅中心，所以玻璃的發光強度隨著玻璃中的羥基含量降低而增強。
本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司OmniFluo900系列穩態瞬態熒光光譜儀系統，如需了解該產品，歡迎咨詢：010-56370168。
湘潭大學徐昌富老師課題組簡介
徐昌富副教授，湘潭大學碩士生導師。研究方向為：稀土發光材料及其應用，包括：1、高轉換效率三基色熒光粉的制備；2、LED燈用照明熒光材料(包括熒光粉和玻璃陶瓷)；3、上轉換納米熒光材料及其生物成像；4、稀土紅外熒光材料的制備與應用。
文章信息
這一成果以“Increasing ZnF2content enhancing the near- and mid-infared emission in Er3+/Yb3+codoped oxyfluorotellurite galsses with decreased hydroxyl”為題發表在Journal of Luminescence上。湘潭大學徐昌富教授為論文通訊作者。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2019.116683
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