摘要
稀土离子掺杂的上转换发光材料因其具有光学稳定性高、发射寿命长等优点，而被广泛应用于防伪识别、显示照明、生物追踪和光学温度传感器等领域。但就目前的研究来看，仍存在诸多不足，如缺乏对提高发光效率等的进一步思考，严重限制了发光材料的进一步应用。因此，如何提高稀土离子掺杂的上转换发光材料的发光效率一直都是人们研究的重点。 光学温度传感器具有非接触、灵敏度高、大范围成像、宽动态范围和快速响应等优点，它解决了以往无法解决的技术难题。对于稀土离子来说，温度与其发光性能息息相关。环境温度的变化能使稀土离子晶体场发生变化，最终影响其发光强度。因此，我们选择基于稀土离子的荧光强度比（FIR）技术来实现对温度的测量。 钼酸盐材料由于钼酸盐自由基能有效地吸收和转移能量给稀土离子，且在近紫外区具有宽而强的电荷转移带，从而提高发光效率。氟化物材料具有低声子能量、长发射寿命和良好的热稳定性，也是一种理想的基质材料。所以本文选取热门钼酸盐NaGd(MoO4)2和新型氟化物K3ScF6作为基质材料，研究其上转换发光性能。采取水热法制备了一系列NaGd(MoO4)2:Er3+/Tm3+/Yb3+荧光粉，采取高温固相法制备了一系列K3ScF6:Er3+/Yb3+/Bi3+(Na+)荧光粉。使用XRD和SEM对荧光粉进行了物相和结构分析，并通过荧光光谱仪测试了荧光粉的发光性能。主要研究内容如下： 采用水热法制备了不同稀土离子掺杂的NaGd(MoO4)2:Er3+/Yb3+和NaGd(MoO4)2:Tm3+/Yb3+荧光粉。研究结果表明，所有样品均属于四方相，稀土的掺杂并没有改变其晶体结构。颗粒呈椭球状，表面光滑，结晶度完整，尺寸在1-4μm左右，有团聚现象。在980nmLD激发下，荧光粉随着稀土离子浓度的增加，发光强度先增加后减小，最佳掺杂浓度分别为NaGd(MoO4)2:0.03Er3+/0.20Yb3+和NaGd(MoO4)2:0.005Tm3+/0.20Yb3+。利用热耦合能级（TCLs）研究了Er3+的温度传感特性。结果表明，NaGd(MoO4)2:0.03Er3+/0.20Yb3+荧光粉的最大绝对灵敏度（SA）为0.0167K-1（573K）；最大相对灵敏度（SR）为0.0135K-1（298K）。利用非热耦合能级（NTCLs）研究了Tm3+的温度传感特性。结果表明，NaGd(MoO4)2:0.005Tm3+/0.20Yb3+荧光粉最大绝对灵敏度（SA）为0.0152K-1（573K），最大相对灵敏度（SR）为0.0167K-1（373K）。 采用水热法制备了共掺杂不同Yb3+浓度的NaGd(MoO4)2:0.03Er3+/0.005Tm3+/xYb3+荧光粉。在980nmLD激发下，随着Yb3+浓度的增加，荧光粉的发光强度先增强后减弱。Yb3+最佳掺杂浓度为25%mol。我们分别对比了各种TCLs与NTCLs之间的温度传感特性，最大的SA灵敏度为0.042K-1（573K），最大的SR灵敏度为0.0198K-1（298K），都是基于2H11/2（Er3+在531nm处的绿光发射）和1G4（Tm3+在477nm处的蓝光发射）的NTCLs得到的。综上所述，无论是基于TCLs还是基于NTCLs下的温度灵敏度，不同离子能级结合后的温度灵敏度总是远大于单个离子能级之间的温度灵敏度，并且NTCLs的温度灵敏度远大于TCLs的温度灵敏度，说明Er/Tm/Yb三掺杂系统在温度传感领域内有潜在的研究价值。 采用高温固相法制备了共掺杂不同浓度Er3+，Yb3+的K3ScF6和掺杂不同浓度Bi3+和Na+的K3ScF6:0.05Er3+/0.15Yb3+荧光粉。所制备的样品均属于立方晶系冰晶石结构，呈现不规则颗粒形状，尺寸范围约15-40μm。在980nmLD激发下，随着Er3+和Yb3+浓度的增加，荧光粉的发光强度先增强后减弱，最佳浓度掺杂比为K3ScF6:0.05Er3+/0.15Yb3+。为了进一步增强K3ScF6:Er3+/Yb3+荧光粉的发光效率，我们进行了Er/Yb/Bi（Na）三掺。结果表明，Bi3+和Na+的引入不会引起晶体结构的变化，对尺寸和形貌影响很小。与纯样品相比，Bi3+的引入导致绿色和红色发光强度分别增强了3和8倍；Na+的引入导致绿色和红色发光强度分别增强了4.5和8.9倍。Bi3+和Na+的引入使荧光粉实现了绿光到红光发射的转变，经测量CCT值荧光粉实现了从冷光到暖光的转变。最后，利用TCLs研究了Er3+的温度传感特性，结果表明K3ScF6:0.05Er3+/0.15Yb3+/0.10Bi3+荧光粉最大绝对灵敏度（SA）为0.0088K-1（573K），最大相对灵敏度（SR）为0.0174K-1（298K）；K3ScF6：0.05Er3+/0.15Yb3+/0.10Na+荧光粉最大绝对灵敏度（SA）为0.0092K-1（573K），最大相对灵敏度（SR）为0.0183K-1（298K）。这表明Er3+/Yb3+掺杂的K3ScF6在非接触式光学温度传感器具有潜在应用价值。
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