Eu3+掺杂In2O3纳米材料的制备和表征及发光特性研究

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In2O3材料是一种重要的n型直接宽带隙半导体材料,具有较强的蓝光发射、较高的可见光透过率和红外反射率,广泛应用于光电器件中。掺杂的In2O3纳米材料具有块体材料没有的发光、传感等性能。由于其优良的性能,是继ZnO材料以来,又一种引起人们很大兴趣的材料。  本文通过用碳热还原In2O3和Eu2O3粉末的热蒸发法和高温固相反应法制备Eu3+掺杂In2O3的纳米材料,获得大量的颗粒状掺杂样品,从而具体研究在这两种方式下掺杂浓度和生长温度对材料发光性能的影响。考虑到饱和蒸汽压对掺杂浓度的影响,我们有意识地选取了不同的位置来进行研究。  首先,将衬底置于源材料的两端,通过控制一定温度,以碳热还原法合成了本研究样品材料。这些合成的材料以颗粒为主,直径50nm~0.6μm,并且具有的正八面体结构。通过X射线衍射谱(X-ray diffractionXRD)表征分析,我们发现所得的颗粒样品为立方铁锰矿结构,并且没有发现任何与掺杂元素Eu相关的相存在。通过分析掺杂前后的In2O3拉曼(RAMAN)光谱,并发现掺杂后的样品特征峰133cm-1红移了2cm-1。由紫外分光光度计分析,通过Tauc作图法获得光学带隙为4.42eV。通过上面分析,我们认为Eu3+掺入了In2O3晶格中。  通过光致发光(photo luminescencePL)分析,室温下Eu3+掺杂的纳米In2O3在280nm,290nm,300nm,335nm激发下,均有较宽的发光峰位于625nm左右,这些发光峰主要是由于氧缺陷引起。然而,Eu3+掺杂In2O3在235nm激发下,出现了596nm的发光峰,该峰位由Eu3+能级的5D0→7F1引起。在研究不同掺杂浓度的样品中,结果表明,在掺杂浓度为20%时,用235nm波长激发,位于596nm发光最强;掺杂浓度为25%的样品出现了发光猝灭,这可能是与电偶极和电偶极(d-d)之间的作用有关。由低温PL光谱可以看出,随着温度降低,发光强度反而增加。室温PL光谱和低温PL表明,Eu3+离子掺杂引起的发光中仅观察到596nm发光峰或625nm,我们认为这是由于饱和蒸汽压不足,从而In2O3中Eu3+浓度低,影响了发光。  为了增大饱和蒸汽压,我们将衬底直接置于源材料的上方。  从常温PL中,我们观测到较强峰位发光中心位于614nm,592nm及一个较窄的肩峰623nm,分别对应于Eu3+能级5D0→7F2、5D0→7F1和5D0→7F2的跃迁,由此可以看出,Eu3+位于无反演中心的格位。通过与纯In2O3对比,在420nm附近的宽峰几乎展平,因此,用该方法制备的样品具有较高的能量传递效率。从变温PL的激发谱、发射谱中我们知道,用不同的激发波长激发均可以在614nm附近发射红光;当用269nm波长激发时,在614nm附近有发射较强红光。在10K时,观测到370nm,390nm发光峰分别属于束缚激子和自由激子复合发光。PL光谱表明,通过将衬底直接置于源材料的上方,有利于增大饱和蒸汽压,从而增强了614nm附近的红光发光。  最后,我们考虑采用高温固相反应法制备样品,使得Eu3+离子通过扩散形式进入In2O3晶格中。  通过扫描电镜(scanning electron microscopeSEM)对样品的测试,我们看到所制备为大小均一,粒径约60nm~140nm的颗粒。利用Raman光谱我们观察到了与Eu3+相关的240cm-1和1005cm-1振动模。从PL荧光光谱分析得到,样品的发光特性较好,强度较大的发光峰位于611nm,即以5D0→7F2的电偶极跃迁为主,说明Eu3+掺入In2O3中,Eu3+位于无反演中心的格位。  论文工作对Eu3+掺杂In2O3的纳米材料可控制备进行了有益的探索,通过研究热蒸发法和高温固相反应法下制备样品的发光性能,阐述了不同位置的衬底由于饱和蒸汽压浓度不同和高温下Eu3+离子通过扩散形式进入In2O3晶格中从而影响红光发射强度。
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