掺入Al3+增强的ZnTiO3: Er3+, Yb3+的光致发光与热释光性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Photoluminescence and thermoluminescence properties of ZnTiO 3: Er3+, Yb3+ enhanced by incorporating Al3+

　　

采用固相化学反应合成法，在800 °C下成功合成了共掺杂不同摩尔百分比Al³⁺（x mol% Al³⁺）的ZnTiO₃: 0.8 mol%Er³⁺, 0.7 mol%Yb³⁺（ZnTiO₃: Er³⁺, Yb³⁺）。X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）图谱证实了具有R?3空间群的三角相形成。利用Williamson-Hall（W-H）关系证实了Al³⁺共掺杂引起的应变。通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）观察到呈现不规则团聚颗粒的表面形貌，并通过能量色散X射线光谱（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS）确定了掺杂离子的不均匀分布。光致发光（Photoluminescence, PL）光谱证实了Er³⁺的²H_11/2 → ⁴I_15/2、⁴S_3/2 → ⁴I_15/2和⁴F_9/2 → ⁴I_15/2电子跃迁分别产生的约528 nm、550 nm和659–700 nm上转换发射。PL测量证实，在ZnTiO₃: Er³⁺, Yb³⁺中0.6 mol% Al³⁺共掺杂产生了最佳发光发射强度。热释光（Thermoluminescence, TL）辉光曲线用于追踪电子陷阱中心并确定电子活化能，其近似值为0.73 ± 0.05 eV和0.89 ± 0.08 eV。该研究证实，在ZnTiO₃: Er, Yb中掺入Al³⁺可增强光致发光强度，并有助于淬灭较深的电子陷阱中心。

热释光（Thermoluminescence, TL）是绝缘体或半导体中由深电子陷阱主导的光学现象，其本质是材料受热后释放先前吸收并储存的辐射能量，从而发射可见光。光致发光（Photoluminescence, PL）则是评估荧光粉上转换（Up-conversion, UC）和长余辉性能的重要指标。ZnTiO₃是一种ABO₃型钙钛矿半导体，带隙约为3.11–3.20 eV，因其高电子迁移率、宽能带和染料吸附能力，在光伏、光催化和非线性光学等领域具有应用潜力。然而，ZnTiO₃对太阳光谱的利用效率受限于其宽带隙，仅能吸收紫外光。稀土离子（RE³⁺）掺杂可在带隙中引入局域能级，通过下转换（Down-conversion, DC）和上转换发光拓宽吸收范围。其中Er³⁺因其阶梯状能级结构可作为UC激活离子，Yb³⁺作为敏化剂在近红外区（~980 nm）具有大吸收截面，二者共掺杂可产生绿色和红色上转换发射。已有研究表明Er³⁺/Yb³⁺共掺杂ZnTiO₃可增强发光，但非辐射复合和缺陷陷阱态会限制效率，且深陷阱对热释光行为的影响尚不明确。为此，研究人员首次引入Al³⁺作为第三掺杂离子，旨在通过电荷补偿和缺陷工程调控ZnTiO₃: Er³⁺, Yb³⁺的发光与陷阱结构。

该研究由EN Njeru、SJ Mofokeng、D Oeba、MS Dhlamini、LL Noto等研究人员完成，采用传统固相反应法合成了ZnTiO<