CN101209901A

CN101209901A - 稀土掺杂的含半导体量子点透明玻璃陶瓷发光材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101209901A
Application number: CNA2006101353913A
Authority: CN
Inventors: 陈大钦; 王元生; 余运龙; 马恩
Original assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Current assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2008-07-02

Abstract

稀土掺杂的含半导体量子点透明玻璃陶瓷发光材料及其制备方法，涉及发光材料领域。该玻璃陶瓷组分为(摩尔比)：57.0SiO₂－xB₂O₃－2.0Al₂O₃－5.0ZnO－12.0Na₂O－12.0K₂O－5.5CaO－yMN－zRe₂O₃，y＝1.0－2.0，z＝0－2.0，x＝(6.5－y－z)，其中M为Cd²⁺、Zn²⁺或它们的组合，N为S^2－、Se^2－或它们的组合，Re为Er³⁺、Eu³⁺、Sm³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺、Tb³⁺等三价镧系稀土离子。采用熔体急冷法制备。该玻璃陶瓷通过在非晶氧化物基体中析出均匀分布的半导体量子点，在能量高于半导体量子点带隙的入射光激发下，实现稀土离子的发光。

Description

稀土掺杂的含半导体量子点透明玻璃陶瓷发光材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及发光材料领域，尤其涉及一类稀土掺杂的含半导体量子点透明玻璃陶瓷及其制备。

背景技术

含半导体量子点的玻璃陶瓷是一类将半导体纳米晶均匀包覆于非晶氧化硅基体中的纳米复合材料，作为光过滤材料，受到材料学界的关注；通过改变半导体量子点的种类及尺度，可以调控半导体带隙宽度，获得不同的光过滤效果。稀土离子的能级结构由4f壳层电子的库仑相互作用和自旋轨道的相互作用所决定，由于宇称和自旋禁戒作用导致稀土离子具有较小的吸收截面(如Er³⁺离子的吸收截面约为10^-21cm²)，从而影响其发光性能。由于半导体材料的电子从导带到价带具有强烈的跃迁，因而吸收截面大(可达10^-15cm²)。最新研究表明，在含半导体量子点的玻璃陶瓷中加入稀土离子，由于半导体量子点起敏化中心的作用，通过半导体量子点向稀土离子的能量传递，可望获得新颖的稀土发光性能，在光纤放大器、三原色发光器件等方面具有潜在的重大应用价值。目前国际上对这类掺稀土的复合材料的研究还处于起步阶段，制备材料基本上都采用溶胶-凝胶法[参考N.Chiodini，et al，Appl.Phys.Lett.85(2004)2343]，该方法具有材料组分精确度高、均匀性好、处理温度低的优点，但其块材的化学稳定性和机械性能较差，且材料中残余的有机组分极难完全消除，对光学性能有不良影响，严重制约了材料的实际应用前景。本发明提出采用熔融急冷法及后续热处理制备一类稀土离子掺杂的含半导体量子点的透明玻璃陶瓷，半导体量子点起敏化中心的作用，能够将输入的激发光能量传递给稀土离子，改善稀土发光。由于该类复合材料的基体为无机氧化物，其化学稳定性和机械性能与普通无机玻璃相当，完全可以满足光电材料实际应用的要求。

发明内容

本发明提出一类稀土掺杂的含半导体量子点透明玻璃陶瓷的组分及其制备工艺，目的在于制备出可向稀土离子传递能量的半导体量子点均匀分布于玻璃基体中的新型发光材料。

本发明的玻璃陶瓷组分为(重量比)：57.0SiO₂-xB₂O₃-2.0Al₂O₃-5.0ZnO-12.0Na₂O-12.0K₂O-5.5CaO-yMN-zRe₂O₃，y＝1.0-2.0，z＝0-2.0，x＝(6.5-y-z)，其中M为Cd²⁺、Zn²⁺或它们的组合，N为S^2-、Se^2-或它们的组合，Re为Er³⁺、Eu³⁺、Sm³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺、Tb³⁺等三价镧系稀土离子。

本发明采用如下制备工艺：将粉体原料按照一定组分配比于坩埚中均匀混合后，在电阻炉中加热至1300-1550℃，并保温0.1-6小时，然后，将玻璃熔液快速倒入预热的铜模中成形；将获得的玻璃适当退火以消除内应力；退火后的玻璃继续升温到500-700℃，保温0-6小时，即得到透明玻璃陶瓷。

采用以上设计组分与制备工艺，成功获得了在非晶氧化物基体中均匀析出半导体量子点的透明玻璃陶瓷。材料光致激发和光致发光谱测试结果表明，在能量高于半导体量子点带隙的入射光激发下，可以探测到稀土离子发光信号，说明在复合材料中，半导体量子点确实起到敏化中心的作用。

本发明的玻璃陶瓷制备工艺简单、设备要求不高、成本低廉、易得到异型材料，且具有良好的光学、机械性能以及较高的化学稳定性，作为一类新型的发光材料极具应用前景。

具体实施方式

实例1：将分析纯的SiO₂、H₃BO₃、Al₂O₃、ZnO、Na₂CO₃、K₂CO₃、CaCO₃、CdS和纯度为99.99％的Er₂O₃粉体，按57.0SiO₂-4.4B₂O₃-2.0Al₂O₃-5.0ZnO-12.0Na₂O-12.0K₂O-5.5CaO-2.0CdS-0.1Er₂O₃(重量比)的配比精确称量后置于玛瑙研钵中，研磨半小时以上使其均匀混合，而后置于铂金坩埚中，于程控高温箱式电阻炉加热至1350℃并保温0.5小时，然后，将玻璃熔液快速倒入300℃预热的铜模中成形。将获得的玻璃放入电阻炉中在450℃退火2小时后随炉冷却以消除内应力；将退火后的玻璃升温至650℃，保温30分钟后，即得到掺杂0.1％铒离子的淡红色透明玻璃陶瓷。透射电镜研究表明，该玻璃陶瓷中大量尺寸为2-5nm的CdS晶粒均匀分布于氧化物玻璃基体中。材料光致激发和光致发光谱测试结果显示，在能量高于半导体量子点带隙的入射光激发下，可以探测到较弱的Er³⁺1546nm红外发射带，表明CdS半导体量子点对Er³⁺离子有较弱的能量传递作用。

实例2：将分析纯的SiO₂、H₃BO₃、Al₂O₃、ZnO、Na₂CO₃、K₂CO₃、CaCO₃、CdS和纯度为99.99％的Er₂O₃粉体，按57.0SiO₂-3.5B₂O₃-2.0Al₂O₃-5.0ZnO-12.0Na₂O-12.0K₂O-5.5CaO-2.0CdS-1.0Er₂O₃(重量比)的配比精确称量，经过与实例1相同的制备与热处理过程后，得到掺杂1.0％铒离子的粉红色透明玻璃陶瓷。材料光致激发和光致发光谱测试结果显示，在能量高于半导体量子点带隙的入射光激发下，出现了较强的Er³⁺1546nm红外发射带，表明CdS半导体量子点对Er³⁺离子有较强的能量传递作用。

实例3：将分析纯的SiO₂、H₃BO₃、Al₂O₃、ZnO、Na₂CO₃、K₂CO₃、CaCO₃、CdS和纯度为99.99％的Eu₂O₃粉体，按57.0SiO₂-3.5B₂O₃-2.0Al₂O₃-5.0ZnO-12.0Na₂O-12.0K₂O-5.5CaO-2.0CdS-1.0Eu₂O₃(重量比)的配比精确称量，经过与实例1相同的制备与热处理过程后，得到掺杂1.0％铕离子的亮黄色透明玻璃陶瓷。材料光致激发和光致发光谱测试结果显示，在能量高于半导体量子点带隙的入射光激发下，出现了Eu³⁺的614nm红光发射带，表明CdS半导体量子点对Eu³⁺离子有能量传递作用。

Claims

1.稀土掺杂的含半导体量子点透明玻璃陶瓷发光材料，其特征在于：该玻璃陶瓷组分为(重量比)：57.0SiO₂-xB₂O₃-2.0Al₂O₃-5.0ZnO-12.0Na₂O-12.0K₂O-5.5CaO-yMN-zRe₂O₃，y-1.0-2.0，z＝0-2.0，x-6.5-y-z，其中M为Cd²⁺、Zn²⁺或它们的组合，N为S^2-、Se^2-或它们的组合，Re为Er³⁺、Eu³⁺、Sm³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺或Tb³⁺三价镧系稀土离子。。

2.一种权利要求1的稀土掺杂的稀土掺杂的含半导体量子点透明玻璃陶瓷发光材料的制备方法，其特征在于：采用熔体急冷法制备。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：采用SiO₂、Al₂O₃、H₃BO₃、ZnO、Na₂CO₃、K₂CO₃、CaCO₃、CdS、ZnS、Se和ReF₃粉体作为原料，在电阻炉中加热至1300-1550℃，并保温0.1-6小时，然后，将玻璃熔液快速倒入预热的铜模中成形；将获得的玻璃适当退火以消除内应力；退火后的玻璃继续升温到500-700℃，保温0-6小时。