稀土百科 | 掺杂Yb3+ 和Er3+的上转换发光材料

在1966年，Auzel首次报道了Yb³⁺ 和 Er³⁺的双掺杂CaWO₄，这是第一个上转换材料研究的实例。Yb³⁺（²F_7/2→²F_5/2） 吸收近红外辐射，并将其传递给 Er³⁺ ，因而 Er³⁺ 的⁴I_11/2能级上的粒子被积累。在4I11/2能级的寿命期内，又一个光子被Yb³⁺吸收，并将其能量传递给 Er³⁺使Er³⁺离子从⁴I_11/2能级跃迁到⁴F_7/2能级。从这里产生非常快的衰减，无辐射跃迁到⁴S_3/2。最后由⁴S_3/2能级产生绿色发射 （⁴S_3/2→⁴I_15/2）。通过这种方式，可以实现以近红外线激发得到了绿色发射。

由于产生一个绿色量子需要两个红外量子，因此可以预见，绿色发射强度将随着红外激发的密度的平方成线性递增关系。在光谱实验中的确观察到了这种关系，并且也作为激发的双光子机制的一个证明。因此，只有在给定了激发密度的条件下，转换效率才是有效的。红外激发下，掺杂有Yb³⁺ ,Er³⁺的基质晶格的绿色发射光强度的效率。表中数据是在发密度与激活剂浓度保持恒定的条件下测得的。由此可见，转换效率在很大程度上依赖于基质晶格的种类。a-NaYF₄是一种非常有效的上转换材料的基质。在氧化物系统中，由于发光离子与其周围配位环境之间具有较强的作用，使氧化物中稀土能级的荧光寿命要比氟化物中的短，因此作为转换材料的基质，氟化物比氧化物更为合适。如果中间能级 ⁴I_11/2的荧光寿命变短，则上转换过程的总效率也将随之降低。

这些材料能将红外线转化为绿色光。举例说明，若将掺杂Yb^3＋和Er^2＋的氟化物薄层与GaAs二极管配合，则可使产生红外发射的GaAs二极管呈现绿色发射。而对于GaP二极管，这种配合系统并没任何优点，因为GaP二极管本来就可直接产生绿色光。虽然GaAs二极管的效率很高，但上转换过程的效率还是如此之低，以至于它们的配合系统无法与GaP二极管竞争。目前，在市场上已经见到在Si-GaAs二极管上涂有上转换材料的红、绿和蓝色发光二极管产品。