Eu3+浓度对用于红色激光应用的氧氟化物玻璃光学性能的影响

《Journal of Luminescence》：Effect of Eu3+ Concentration on Optical Properties of Oxyfluoride Glasses for Red Laser Applications

制备了铕离子掺杂的氧氟化物玻璃，通过熔融淬火法制备并系统研究了其结构、物理及光学性能。密度随掺杂量增加而升高，带隙从3.44 eV降至3.10 eV，G3玻璃（1.5 mol% Eu3+）在610 nm处表现出高强度红发射，量子效率达93%，证实其适用于红激光技术和固态照明。

　　

M. Rahimi | A. Faeghinia

伊朗卡拉杰市陶瓷、材料与能源研究中心

摘要

通过熔融淬火法制备了新型Eu³⁺掺杂的氧氟化物玻璃，其化学组成为(40?x)SiO₂·24Al₂O₃·10LiF·14CaF₂·12CaO·x EuF₃，其中x的范围为0.5至1.5摩尔%。结构表征显示，这些玻璃的密度在2.575至2.739 g/cm³之间，摩尔体积在27.81至26.23 cm³/mol之间，硬度值在8.21至9.06 GPa之间。

紫外-可见光谱分析表明，随着EuF₃浓度的增加，直接光学带隙从3.44 eV降低到3.10 eV，这表明由于稀土离子配位的变化，玻璃基体和电子结构发生了变化。

Judd-Ofelt理论的应用表明，所有玻璃组分的Ω₂均大于Ω₄。值得注意的是，含有1.5摩尔% Eu³⁺的玻璃（标记为G₃）在610 nm处表现出强烈的红色发光，这种发光来自Eu³⁺的⁵D_{0 → ⁷F2跃迁。该玻璃的受激发射截面（σλp）测量值为14.10 × 10^-22 cm²。增益带宽和光学增益参数分别为κ1 = 21.15 × 10^-28 cm³和κ2 = 41.03 × 10^-25 cm²s。}

颜色分析结果显示，这些玻璃的CIE坐标为(0.64, 0.33)，接近理想红色标准，量子效率（η）为93%，红色发射分支比（β_R）为77.67%。这些发现强调了这些玻璃在红色激光技术和固态照明应用中的潜力，突出了优化Eu³⁺掺杂水平以最大化先进光电子器件光学性能的重要性。

引言

氧氟化物玻璃在陶瓷和玻璃科学领域受到了广泛关注，因其在中先进光学技术中的潜力而被研究。当这些玻璃掺杂三价镧系离子（如Eu³⁺）时，可用于固态激光器、闪烁探测器、光学放大器和白光发射器等应用[1]，[2]。尽管氧化物玻璃也具有高化学稳定性和热稳定性等共同特性，但由于氧氟化物玻璃的声子能量明显较低，大多数研究人员更倾向于使用氧氟化物玻璃。较低的声子能量导致非辐射损耗减少、光学透明度提高、稀土离子的溶解度增加以及热稳定性增强[3]，[4]，[5]。

三价Eu³⁺因其有效的红色和橙红色发光而广泛应用于光学技术，这种发光是由5D₀ → 7F₂电子跃迁引起的。此外，Eu³⁺还能通过从5D₀激发态到不同7F_J能级（J = 0, 1, 2, 3, 4）的跃迁产生多种光致发光。这些独特的光谱特性使Eu³⁺成为尖端光电子器件中关键的发光核心。研究稀土（RE）掺杂发光材料的光学跃迁特性需要深入理解RE离子在基质中的光学行为。因此，研究人员经常使用Judd-Ofelt（J–O）参数来定量分析透明三价RE掺杂材料中的光学跃迁[6]，[7]，[8]，[9]，[10]，[11]。

本文的目的是通过熔融淬火技术制备Eu³⁺掺杂的氧氟化物玻璃。虽然之前的研究已经探讨了类似玻璃组成的闪烁特性[12]，[13]，但迄今为止尚未有研究报道这种新型玻璃组成的Judd-Ofelt参数以及对Eu³⁺离子光学跃迁的详细定量评估。本文旨在使用熔融淬火技术制备Eu³⁺掺杂的氧氟化物玻璃，并通过多种分析技术研究其结构、物理和光学性质。计算了Judd-Ofelt强度参数（Ωλ）及其对应的辐射跃迁率（A_rad）、荧光分支比（β）、辐射寿命（τ）和发光量子效率（η）。CIE色度图用于确认所制备玻璃适用于激光应用。

实验程序

实验步骤

制备了三种不同掺杂浓度（x = 0.5、1.0和1.5摩尔%）的玻璃样品，具体信息见表1。精确称量了试剂级CaO、SiO₂、Al₂O₃、CaF₂、LiF和EuF₃（Merck公司产品），总质量为20克。使用玛瑙研钵将原材料混合均匀后，用液压机在约1000 psi的压力下进行压实。

物理性质

表2详细列出了所研究玻璃的物理性质，包括质量（克单位）、密度（ρ）和摩尔体积（V_M）。从表2可以看出，随着EuF₃浓度的增加，密度（ρ）从2.575 g/cm³增加到2.739 g/cm³，而摩尔体积（V_M从27.81 cm³/mol减少到26.93 cm³/mol。这一趋势与密度和摩尔体积之间的关系一致。

结论

本文报道了通过熔融淬火法合成Eu³⁺掺杂的氧氟化物玻璃，并对其物理、结构和光学性质进行了表征。XRD光谱证实了这些玻璃的非晶态；FTIR、DTA和紫外-可见光谱分析进一步研究了其结构、热和光学性质。光学带隙从0.32 eV降低到0.28 eV，表明这些玻璃具有半导体特性。光致发光现象也得到了验证。

CRediT作者贡献声明

Manijeh Rahimi：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、软件使用、方法论设计、资金获取、数据分析、概念构思。 Aida Faeghinia：撰写 – 审稿与编辑、监督

利益冲突声明

本文作者声明，在撰写“Eu³⁺掺杂氧氟化物玻璃的结构与光学研究：用于红色激光技术的有前景材料”时，不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢伊朗国家科学基金会（项目编号4003260）和材料与能源研究中心的研究委员会的财政支持。