CN105255486B - 一种Er、Yb共掺杂Al2O3/Ag双层上转换发光薄膜及其制备方法 - Google Patents
一种Er、Yb共掺杂Al2O3/Ag双层上转换发光薄膜及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105255486B CN105255486B CN201510715029.2A CN201510715029A CN105255486B CN 105255486 B CN105255486 B CN 105255486B CN 201510715029 A CN201510715029 A CN 201510715029A CN 105255486 B CN105255486 B CN 105255486B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sputtering
- film
- pieces
- bilayer
- films
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Electroluminescent Light Sources (AREA)
Abstract
本发明属于光致发光和太阳能电池技术领域，具体为一种Er、Yb共掺杂Al2O3/Ag双层上转换发光薄膜及其制备方法。本发明在石英或硅基片上制备双层薄膜，底层为Er/Yb共掺杂Al2O3薄膜，采用射频溅射技术沉积，溅射靶材为镶嵌金属Er片和Yb片的Al2O3陶瓷靶，通过控制Er片和Yb片在溅射区的面积和溅射功率来控制Er、Yb掺杂量；顶层为不连续的Ag金属膜，采用直流磁控溅射技术沉积，靶材为Ag靶，通过控制Ag的溅射功率和时间可获得不同表面形貌的Ag膜。本发明制备的双层薄膜结构与Er、Yb掺杂Al2O3单层薄膜结构相比，具有明显增强的上转换发光性能。本发明方法工艺稳定性好，可重复性高，具有工业生产前景。
Description
技术领域
本发明属于光致发光和太阳能电池技术领域，具体涉及稀土掺杂Al2O3/Ag双层上转换发光薄膜及其制备方法。
背景技术
上转换发光是通过吸收两个或者多个波长较长的光子而发出一个波长较短的光子来实现的反斯托克斯发光。稀土离子掺杂上转换发光材料在光通信﹑彩色显示﹑数据存储[1]﹑固态激光[2]﹑太阳能电池[3]及其他相关领域获得了广泛的应用，引起了越来越多的关注[4][5]。目前研究较多的是Er3+掺杂体系，然而Er3+对近红外光子较小的吸收截面使得上转换发光强度难以得到提高，因此限制了它在以上各领域的应用。在基质材料中引入Yb3+形成Er3+/Yb3+共掺体系可提高上转换发光强度[6]，因为Yb3+对近红外光子有较大的吸收截面，可以将吸收的入射光子能量传递给Er3+，从而提高发光效率。
Al2O3的声子密度比其他氧化物、氟化物略高，通常不用作上转换发光的基质材料。然而，稀土离子掺杂Al2O3薄膜却可能在硅太阳能电池中具有潜在的应用，因为硅太阳能电池本身含有Al2O3钝化层，因此稀土离子掺杂的Al2O3层既可以作为太阳能电池的钝化层又可以作为上转换层[7]。
研究表明置于贵金属纳米结构附近的发光材料其发光强度可得到增强，这种增强是由贵金属纳米结构表面产生的局域表面等离子激元（LSPs）所导致的[8]。人们通常利用化学方法在基质材料中引入Ag的纳米晶，希望通过利用Ag纳米晶的表面等离子共振（SPR）现象使上转换发光得到增强。Sahar等[9]向Er3+掺杂的磷酸盐玻璃中添加AgCl经热处理后得到尺寸约为37nm的Ag纳米颗粒从而使上转换荧光强度得到增强。黄茜等采用共烧结工艺将Ag纳米颗粒引入Er3+/Yb3+共掺的NaYF4上转换材料中使全光谱范围增益达28%，最大增益达55%[10]。也有报道通过溅射将贵金属制备于衬底之上，在其上沉积上转换材料[11]，但这种方法在形成上转换发光材料的退火过程中会产生贵金属的扩散、团聚等现象，从而影响上转换发光的增强。
本发明提供一种Er、Yb共掺杂Al2O3/Ag双层上转换发光薄膜的制备方法。采用射频磁控溅射技术制备Er、Yb共掺杂Al2O3薄膜作为底层薄膜，采用直流磁控溅射技术在其上沉积不连续Ag膜作为顶层薄膜。靶材为镶嵌金属Er片和Yb片的Al2O3陶瓷靶，根据Er和Yb以及Al2O3的溅射产额，通过调整Er﹑Yb片和Al2O3靶在溅射刻蚀区的面积来控制Er、Yb的掺杂含量，掺杂浓度和膜的厚度可以精确控制，方便高效。银膜的厚度及银岛状结构尺寸可以通过溅射功率及溅射时间来控制，所得到的双层薄膜其上转换发光性能远超单层Er、Yb掺杂Al2O3薄膜。
参考文献
[1] Scheps R. Upconversion laser processes. Prog. Quant. Electron.1996, 20(4):271-358 .
[2] Kwany M, Mierczyk Z, Stpień R, Jdrzejewski K. Nd3+,Er3+and Pr3+-doped fluoride glasses for laser applications. Journal of alloys andcompounds. 2000, 300:341-347.
[3] Zheng J, Tao Y L, Wang W, Ma Z H, Zuo Y H, Cheng B W, Wang Q M.Intense 974nm emission from ErxYb2−xSi2O7 films through efficient energytransfer up-conversion from Er3+ to Yb3+ for Si solar cell. Journal ofLuminescence. 2012, 132:2341-2344.
[4] Beurer E, Grimm J, Gerner P, Güdel H U. New Type of Near-Infraredto Visible Photon Upconversion in Tm2+-Doped CsCaI3. J. Am. Chem. Soc. 2006,128:3110-3111.
[5] Shang Q, Yu H, Kong X, Wang H, Wang X, Sun Y, Zeng Q. Green andred up-conversion emissions of Er3+-Yb3+ Co-doped TiO2 nanocrystals prepared bysol-gel method. Journal of Luminescence. 2008, 128:1211-1216.
[6] Mao X G, Yan B X, Wang J, Shen J. Up-conversion fluorescencecharacteristics and mechanism of Er3+-doped TiO2 thin films. Vacuum. 2014,102:38-42.
[7] Dong B, Li C R, Wang X J. Two color up-conversion emissions ofEr3+-doped Al2O3 nanopowders prepared by non-aqueous sol-gel method. J. Sol-Gel. Sci. Technol. 2007, 44: 161-166.
[8] Cheng P H, Li D S, Yuan Z Z, Chen P L, Yang D R. Enhancement ofZnO light emission via coupling with localized surface plasmon of Ag islandfilm. Appl. Phys. Lett. 2008, 92:041119.
[9] Amjad R J, Sahar M R, Ghoshal S K, Dousti M R, Riaz S, Tahir B A.Enhanced infrared to visible upconversion emission in Er3+ doped phosphateglass: Role of silver nanoparticles. Journal of Luminescence. 2012, 132:2714-2718.
[10] 佟建波，黄茜，张晓丹，张存善，赵颖. 纳米Ag颗粒表面等离子激元对上转换材料光致发光性能影响的研究. 物理学报. 2012, 61:47801.
[11] Luo Q, Chen Y R, Li Z Q, Zhu F, Chen X H, Sun Z, Wei Y L, Guo H,Wang Z B, Huang S M. Large enhancements of NaYF4:Yb/Er/Gd nanorodupconversion emissions via coupling with localized surface plasmon of Aufilm. Nanotechnology. 2014, 25:185401。
发明内容
本发明的目的是提供一种掺杂浓度和膜的厚度精确可控，上转换发光性能良好的Er、Yb共掺杂Al2O3/Ag双层上转换发光薄膜及其制备方法，这种双层薄膜的上转换发光性能远超单层Er、Yb掺杂Al2O3薄膜。
本发明是在石英或硅基片上制备双层薄膜，其中，底层薄膜为Er、Yb共掺杂的Al2O3薄膜，采用射频溅射技术沉积，溅射靶材为镶嵌金属Er片和Yb片的Al2O3陶瓷靶，通过控制Er片和Yb片在溅射区的面积和溅射功率来控制Er、Yb掺杂量；顶层薄膜为不连续的Ag金属膜，采用直流磁控溅射技术沉积，靶材为Ag靶，通过控制Ag的溅射功率和时间可获得不同表面形貌的Ag膜，该Ag膜通过局域表面等离子体共振（LSPR）作用使上转换发光得到明显增强。
具体的制备条件如下：
（1）以石英或硅作为基片，使基片温度为室温~500℃；
（2）制备底层薄膜(Er、Yb共掺杂Al2O3膜)：溅射前真空室本底压强低于1.0×10- 3Pa，射频磁控溅射时使用氧氩混合气体，总气压为0.1~1.0 Pa，O2分压占总气压比为0.5~10.0%；溅射功率密度为20~180 kW/m2；
（3）将制备得到的底层薄膜置于高温炉中退火，退火气氛为空气﹑氮气或者惰性气体，退火温度为500~1100℃，退火时间为1~4小时；
（4）在退火后的薄膜上沉积顶层薄膜(Ag膜)：溅射前真空室本底压强小于1.0×10-3Pa，直流磁控溅射时使用氩气，气压为0.1~1.0Pa；溅射功率密度为1~8 kW/m2。
本发明中，射频电源所用靶材为镶嵌金属Er片和Yb片的Al2O3陶瓷靶，如图2所示，纯度为99.99%；Er/Al的摩尔浓度比为0.5~5 %，Yb/Al的摩尔浓度比为5~50%，通过溅射刻蚀区内Er片﹑Yb片与Al2O3的面积比及溅射率比的乘积来控制；直流电源所用靶材为Ag金属靶，如图2所示，纯度为99.99%；靶材与基板的间距为50~70mm。
本发明方法制得的Er、Yb共掺杂Al2O3/Ag双层薄膜总厚度为100~1000nm，其中顶层的Ag膜厚度为5~30nm，厚度通过控制溅射时间来调整。
本发明提供的Er、Yb共掺杂Al2O3/Ag双层上转换发光薄膜的制备方法，具体操作步骤如下：
（1）基片采用抛光石英玻璃或硅片，经过酒精、丙酮、去离子水超声清洗后固定于基板架上；
（2）制备Er、Yb共掺杂Al2O3薄膜：溅射前真空室本底压强低于1.0×10-3Pa，通入氧氩混合气体至0.1~1.0 Pa，在室温~500℃的基板温度下采用射频磁控溅射技术沉积，溅射功率密度为20~180kW/m2；通过控制溅射时间的长短，可以控制Er、Yb共掺杂Al2O3薄膜的厚度；
（3）将溅射得到的薄膜进行退火处理，退火气氛为空气﹑氮气或者惰性气体，退火温度为500~1100℃，时间控制在1~4小时；
（4）在Er﹑Yb共掺杂Al2O3薄膜表面沉积银膜：溅射前真空室本底压强低于1.0×10-3Pa，通入氩气，气压为0.1~1.0Pa；在室温下采用直流磁控溅射技术沉积，溅射功率密度为1~8 kW/m2，通过控制溅射时间和溅射功率可以控制膜厚及平均颗粒大小。
实验结果表明，在980nm泵浦源激发下用这种方法制备的双层薄膜结构与Er、Yb掺杂Al2O3单层薄膜结构相比，具有明显增强的上转换发光性能。本发明方法工艺稳定性好，可重复性高，具有工业生产前景，是一种制备上转换发光薄膜的新方法。
附图说明
图1为双层薄膜结构示意图。
图2为溅射用镶嵌金属Er片和Yb片的Al2O3陶瓷靶和Ag靶及基片示意图。
图3为 Er﹑Yb共掺杂Al2O3薄膜样品在980nm泵浦源激发下的发光谱。其中，Er：0.8mol%，Yb：10mol%。
图4为 Er﹑Yb共掺杂Al2O3/Ag双层薄膜样品在980nm泵浦源激发下的发光谱。其中，Er：1mol%，Yb：20mol%，Ag溅射功率7.1kW/m2，Ag膜厚(a) 0 nm ，(b) 14 nm。
图5为 Er﹑Yb共掺杂Al2O3/Ag双层薄膜样品在980nm泵浦源激发下的发光谱。其中，Er：0.5mol%，Yb：5mol%，Ag溅射功率5.3kW/m2，Ag膜厚(a) 0 nm ，(b) 13 nm。
具体实施方式
实施例1：
制备Er﹑Yb共掺杂Al2O3薄膜：其中，Er：0.8mol%，Yb：10mol%。基板温度为室温，溅射气体中氧分压占总气压比为1.8%，溅射压强为0.8Pa，溅射功率密度为106 kW/m2，薄膜厚度为500nm，在空气中1000℃退火150min。
测量发光的泵浦源采用980nm半导体激光器，功率2W，45°角入射到薄膜表面。
图3为在泵浦源激发下实施例1薄膜样品上转换发光谱。
实施例2：
制备Er﹑Yb共掺杂Al2O3/Ag双层薄膜，其中，Er：1mol%， Yb：20mol%，Al2O3膜其他制备条件同实施例1，膜厚为500nm；
制备Ag膜：基板温度为室温，溅射气体为氩气，溅射压强为0.6Pa，溅射功率密度为7.1kW/m2。Ag膜厚(a) 0 nm ，(b) 14 nm。
图 4为在泵浦源激发下实施例2薄膜样品上转换发光谱。
实施例3：
制备Er﹑Yb共掺杂Al2O3/Ag双层薄膜，其中，Er：0.5mol%， Yb：5mol%，Al2O3膜其他制备条件同实施例1，膜厚为500nm；
制备Ag膜：基板温度为室温，溅射气体为氩气，溅射压强为0.6Pa，溅射功率密度为5.3kW/m2。Ag膜厚(a) 0 nm ，(b) 14 nm。
Claims (4)
1.一种Er、Yb共掺杂Al2O3/Ag双层上转换发光薄膜的制备方法，其特征在于：在石英或硅基片上制备双层薄膜：其中，底层薄膜为Er/Yb共掺杂Al2O3薄膜，采用射频溅射技术沉积，溅射靶材为镶嵌金属Er片和Yb片的Al2O3陶瓷靶，通过控制Er片和Yb片在溅射区的面积和溅射功率来控制Er、Yb掺杂量；顶层薄膜为不连续的Ag金属膜，采用直流磁控溅射技术沉积，靶材为Ag靶，通过控制Ag的溅射功率和时间可获得不同表面形貌的Ag膜，该Ag膜通过局域表面等离子体共振作用使上转换发光得到明显增强；
制备的具体条件如下：
基片为石英或硅，基片温度为室温~500℃；
制备底层薄膜：溅射前真空室本底压强低于1.0×10-3Pa，射频磁控溅射时使用氧氩混合气体，总气压为0.1~1.0 Pa，O2分压占总气压比为0.5~10.0%；溅射功率密度为20~180kW/m2；
制备得到的底层薄膜置于高温炉中退火，气氛为空气﹑氮气或者惰性气体，退火温度为500~1100℃，退火时间为1~4小时；
在退火后的薄膜上沉积顶层薄膜：溅射前真空室本底压强低于1.0×10-3Pa，直流磁控溅射时使用氩气，气压为0.1~1.0Pa；溅射功率密度为1~8 kW/m2。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，Al2O3陶瓷靶材的纯度为99.99%，Er片和Yb片的纯度为99.9%， Ag靶材的纯度为99.99%；Er/Al的摩尔浓度比为0.5~5 %，Yb/Al的摩尔浓度比为5~50%，通过溅射刻蚀区内Er片﹑Yb片与Al2O3的面积比及溅射率比的乘积来控制；靶材与基板的间距为50~70mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制得的双层薄膜的总厚度为100~1000nm ， 其中顶层的Ag膜厚度为5~30nm，厚度通过控制溅射时间来调整。
4.由权利要求1-3之一所述制备方法制备得到的Er、Yb共掺杂Al2O3/Ag双层上转换发光薄膜。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510715029.2A CN105255486B (zh) | 2015-10-29 | 2015-10-29 | 一种Er、Yb共掺杂Al2O3/Ag双层上转换发光薄膜及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510715029.2A CN105255486B (zh) | 2015-10-29 | 2015-10-29 | 一种Er、Yb共掺杂Al2O3/Ag双层上转换发光薄膜及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105255486A CN105255486A (zh) | 2016-01-20 |
| CN105255486B true CN105255486B (zh) | 2018-06-26 |
Family
ID=55095426
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510715029.2A Expired - Fee Related CN105255486B (zh) | 2015-10-29 | 2015-10-29 | 一种Er、Yb共掺杂Al2O3/Ag双层上转换发光薄膜及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105255486B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109666480B (zh) * | 2017-10-17 | 2021-12-07 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种稀土掺杂SiAlON发光薄膜及其制备方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101270468B (zh) * | 2008-05-05 | 2010-09-22 | 浙江大学 | 一种增强氧化锌薄膜发光的方法 |
-
2015
- 2015-10-29 CN CN201510715029.2A patent/CN105255486B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105255486A (zh) | 2016-01-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103881721B (zh) | 一种增强型频率转换发光材料的制备方法 | |
| CN102912308B (zh) | 一种低相变温度二氧化钒薄膜制备工艺 | |
| Nadarajah et al. | Influence of annealing on properties of spray deposited ZnO thin films | |
| WO2011089984A1 (ja) | 酸化物蒸着材と蒸着薄膜並びに太陽電池 | |
| Cheng et al. | Near-infrared quantum cutting in YVO4: Yb3+ thin-films via downconversion | |
| Mao et al. | Up-conversion fluorescence characteristics and mechanism of Er3+-doped TiO2 thin films | |
| CN102181828A (zh) | ZnFe2O4铁氧体薄膜制备方法 | |
| CN106833627A (zh) | 一种发光材料、其制备方法及应用 | |
| CN105255486B (zh) | 一种Er、Yb共掺杂Al2O3/Ag双层上转换发光薄膜及其制备方法 | |
| CN102392305A (zh) | 一种金属离子掺杂的钇铝石榴石晶体薄膜的制备方法 | |
| CN103397302B (zh) | 一种上转换发光的Er/Yb共掺杂TiO2薄膜的制备方法 | |
| CN101299513A (zh) | 电场诱导光抽运硅基氧化锌薄膜随机激光器及其制备方法 | |
| Zhou et al. | Symmetrical SnO2/W-doped VO2/SnO2 sandwich structures with high luminous transmittance, excellent solar modulation ability and low phase transition temperature | |
| Tiwari et al. | LSPR-mediated improved upconversion emission on randomly distributed gold nanoparticles array | |
| Cho | Photoluminescent properties of Tb-doped SrMoO4 thin films deposited on quartz substrates | |
| Meza-Rocha et al. | Li+ co-doping effect on the photoluminescence time decay behavior of Y2O3: Er3+ films | |
| Hong et al. | Simultaneous enhancement of quantum cutting luminescence in Er-doped NaBaPO4 phosphors by crystal field control and plasmonic modulation | |
| Li et al. | Enhanced NIR downconversion luminescence by precipitating nano Ca5 (PO4) 3F crystals in Eu2+–Yb3+ co-doped glass | |
| Psuja et al. | Non-thermal plasma-driven synthesis of Eu 3+: Y 2 O 3 nanosized phosphors | |
| CN107988578B (zh) | 一种多晶光致发光钨酸锌薄膜的制备方法 | |
| Huang et al. | Simultaneous excitation and emission enhancement of near-infrared quantum cutting in β-NaYF4: Er3+ nanoparticles by double plasmon modes of noble metals | |
| CN109781670B (zh) | 一种上转换荧光增强衬底及其制备方法 | |
| Zhang et al. | Effect of melting times on the down-shifting properties in Ce 3+-doped oxyfluoride glass ceramics for a-Si solar cells | |
| Wan et al. | Preparation and luminescence of nano-sized In2O3 and rare-earth co-doped SiO2 thin films | |
| Dong et al. | Up-conversion emissions of Er3+-Yb3+ codoped Al2O3 nanoparticles by the arc discharge synthesis method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180626 Termination date: 20201029 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |