前驱物浓度对Er3+-Yb3+共掺杂NaYF4微晶地形貌及上转换发光性质地影响.doc

前驱物浓度对Er3+-Yb3+共掺杂NaYF4微晶的形貌及上转换发光性质的影响 1、相关定义 1.1、稀土离子的上转换发光概念和机制 如图1-2所示,当采用波长较长的入射光(如:红外光)照射到掺杂稀土离子的 样品上时,得到出射光的波长(如:可见光)比激发光波长小,即通过吸收多个低能 量光子从而发射出高能量光子,这样的过程被称为上转换发光。这种现象违背了斯托 5 第一章 绪论 稀土离子共掺 Gd2O3纳米管上转换发光性质的研究 克斯(Stokes)定律,其实质是一种反斯托克斯(anti Stokes)现象。由于电子在稀土离子 4f 轨道能级之间发生跃迁,由此产生了上转换发光现象, 电子态受基质的影响很 小,这是因为外壳电子对 电子的屏蔽作用。由于不同的稀土离子对应着不同的能 级位置,所以每一种稀土离子所产生的上转换发光过程是不尽相同的。目前,可以将 上转换过程大致归结为:激发态吸收(ESA)、光子雪崩(PA)以及能量传输(ET) 三种形式。 图 1-2 斯托克斯示意图,ω0为入射光,ω1为斯托克斯发光,ω2为反斯托克斯发光 Fig. 1-2 Schematic of Stokes emission, ω0is incident light, ω1is stokes emission, ω2is anti-stokes emission 1.2、纳米材料的基本概念及特性 纳米材料是指把组成相或晶粒结构在任一维上控制在 100nm 以下长度尺寸 的材料。按维数,纳米材料的基本单元可以分为三类:(1)零维。指在空间三维尺 度均在纳米尺度,如纳米尺度颗粒、原子团簇等;(2)一维。指在空间有两维处于 纳米尺度,如纳米丝、纳米棒、纳米管等。(3)二维。指在三维空间中有一维在 纳米尺度,如超薄膜、多层膜、超晶格等。因为这些单元具有量子性质,所以, 对零维、一维和二维的基本单元分别又有量子点、量子线和量子阱之称。 纳米微粒尺寸小,具有大的比表面积,表面原子数、表面能和表面张力随粒 子的下降急剧增加,此种形态的变化反馈到物质结构和性能上,就会显示出奇特 的效应,主要可分为以下四种最基本的特性[2]。 (1) 小尺寸效应 纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波长、超导态的相干长度 等物理特性相当或更小时,晶体周期性的边界条件被破坏,非晶态纳米微粒的颗 粒表面层附近原子密度减小,使得材料的声、光、电、磁、热、力学等特性出现 显著变化而导致新的特性出现的现象,叫做纳米材料的小尺寸效应。 (2)表面效应 纳米微粒的另一个显著特征是具有大的比表面积。粒子的尺寸越小,比表面 积越大,表面原子数占全部原子数的比例越高。单位质量粒子表面积的增大,表 面原子数目的骤增,使原子配位数严重不足。高表面积带来的高表面能,使粒子 表面原子极其活跃,很容易与周围的气体反应,也容易吸附气体。这一现象被称 为纳米材料的表面效应。 (3)量子尺寸效应 在纳米材料中,微粒尺寸达到与光波波长或其他相干波长等物质特征尺寸相 当或更小时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米 半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级 的能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。 (4)宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应,对于纳米粒子,它们的磁化强 度和量子相干器件的磁通也具有隧道效应,称为宏观量子隧道效应。 3 上述的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应都是纳米 微粒的基本特性。纳米粒子也因此呈现出许多奇异的物理、化学性质,从而在催 化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面呈现了广阔的应用前景,同时 也将推动基础研究的发展。 1.3、电介质基本概念及铁电材料简介 1 电介质的基本概念 电介质的特征是以正负电荷重心不重合的电极化方式传递、存储或记录电的作用 和影响,但其中起主要作用的是束缚电荷。电介质可以是气态、液态或固态,分布极 广。虽然电介质并非一定是绝缘体,但绝缘体都是典型的电介质[1]。 介电极化是电介质的核心问题,电介质的各种宏观介电特性都是由介电极化所决 定的。电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象称之为介电极化。从微观机制上来讲, 电介质极化通常有四种主要的极化机制:(1)原子核外电子位移极化:在外加电场下, 原子核的中心点产生偏移,使电子与带正电的原子核因此相对位移而变成电偶极,响 应交流电场频率约在 1014~1016Hz。(2)分子中正、负离子的相对位移极化:在外加电 场下正负离子的平衡位置产生相对位移,而造成极化现象,响应交流电场频率约在 109~1013Hz。(3)分子固有电矩的转向极化:在外加电场下,电偶极随电场方向排列而 使材料产生极化,响应交流电场频率约在 103~108Hz。(4)