摘要
随着稀土离子掺杂上转换材料研究的不断深入，其在多色显示器、太阳能电池、红外探测、光动力治疗、生物成像等领域的潜在应用前景受到了人们的广泛关注。不过，由于稀土离子本身的窄带吸收特性，限制了其在光伏领域等方面的应用。Ni2+离子的宽带吸收特性以及其发射能级与某些稀土离子部分能级的重叠，使得Ni2+离子敏化稀土离子的宽带激发上转换发光成为可能，从而有望拓展了上转换荧光材料在光伏、红外辐射检测等领域广阔的应用前景。为了获得被较宽波段范围的近红外光（900nm—1700nm）激励后，产生可见光范围内的上转换发射的荧光粉，本文开展了如下的工作： （1）通过高温固相方法开发了一系列的Ni2+单掺杂的Mg14Ge5O24与Y2Mg3Ge3O12的宽带近红外荧光粉。采用Ni2+离子取代[MgO6]八面体格位中的Mg2+离子的方案，实现了Ni2+离子的八面体格位占据以及Ni2+离子的有效吸收与发射。Mg14Ge5O24:Ni2+与Y2Mg3Ge3O12:Ni2+荧光粉在455nm、671.32nm、980nm以及1064nm激发下均呈现出了1100nm到1700nm范围的近红外光，其发射峰值位于1450nm附近，对应于Ni2+的3T2g(3F)→3A2g(3F)的辐射跃迁。此外，还研究了Ni2+离子的近红外发光机制和能量传递机理以及Ni2+离子浓度对近红外发射强度的影响，最佳的近红外发射强度对应的样品分别为Mg14Ge5O24:0.01Ni2+和Y2Mg3Ge3O12:0.015Ni2+荧光粉。Ni2+离子在这些基质中的宽带近红外吸收特性及其发射光谱与稀土离子之间的匹配性，表明在该基质中通过Ni2+离子的宽带敏化实现稀土离子的上转换发光有望成为可能。 （2）采用常规高温固相反应法制备了Ni2+、Er3+、Nb5+三掺杂Y2Mg3Ge3O12荧光粉。通过Ni2+→Er3+和Er3+→Er3+的能量转移以及Er3+的激发态吸收，荧光粉可以将位于900nm—1700nm波长范围内的近红外光上转换为来自Er3+的峰值位于532nm、555nm和675nm处的可见光发射。Nb5+离子的引入可以调节Ni2+和Er3+离子的局部环境，从而有效降低它们的非辐射跃迁概率，大大增强了上转换发射强度。此外，还研究了Ni2+和Er3+浓度对上转换发光强度的影响，发现Y2Mg3Ge3O12:0.015Ni2+,0.13Er3+,0.06Nb5+荧光粉的上转换发射效率最佳。分析发现，Ni2+对Er3+的能量传递机制为四极-四极相互作用。在Y2Mg3Ge3O12:0.015Ni2+,0.13Er3+,0.06Nb5+样品中Ni2+→Er3+的能量转移敏化率高达92.1%。这项工作中所开发的宽带近红外激发的上转换材料在c-Si太阳电池和红外探测器等光子学领域有着重要的应用前景。
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