近红外长余辉材料CaGdAlO4:Cr3+的制备、光学特性及晶体场分析

论文摘要

近红外长余辉材料发光波长处于生物组织透过窗口范围内（650-950 nm）,在活体应用中具有生物组织吸收少、穿透深度大等优点,通过余辉成像,可以避免激发光对生物组织的荧光背景干扰,利于提高成像质量。本文采用燃烧法制备了不同Cr3+离子掺杂浓度的钆铝酸钙(CaGdAlO4:x%Cr3+)近红外长余辉发光材料,采用X射线衍射、扫描电子显微镜、激发和发射光谱等技术手段,研究了不同取代格位,不同的掺杂浓度,不同的热处理条件对材料光学特性的影响。研究结果表明:不同掺杂浓度的Cr3+取代Gd3+离子的CaGdAlO4:x%Cr3+（x=0.5,1.0,1.5,2.0,2.5）近红外长余辉发光材料。所有样品均为单一纯相的荧光粉。在610 nm波长光的激发下,在650 nm-850 nm的范围内具有较强的近红外宽带发射,并叠加若干窄带,最强发射峰位于744 nm。对近红外长余辉发光最优化浓度(CaGdAlO4:1.5%Cr3+)分别进行真空、空气和氮气气氛下800oC处理2 h。结果发现,经过氮气和空气气氛处理后样品的光致发光及长余辉发光变化较小,而在真空气氛下热处理后的CaGdAlO4:1.5%Cr3+荧光粉,在发光强度和近红外长余辉特性都有显著地增加,余辉时间超过300秒。不同掺杂浓度的Cr3+离子取代Al3+的CaGdAlO4:x%Cr3+（x=0.1,0.5,1.0,1.5,2.0）近红外长余辉发光材料。所有样品都为单一纯相。在592 nm的激发下,650-850 nm范围内出现了极大值位于744 nm的近红外宽带发射,并叠加有若干窄带近红外发射。近红外发光强度随着Cr3+的掺杂浓度的增加呈先增加后下降的趋势,最佳掺杂浓度为1.0%。对上述优化浓度的样品经真空气氛800oC热处理后,发现样品的平均晶粒尺寸由417 nm增大到843 nm,发光强度增强了2倍。实验发现,在CaGdAlO4基质中,Cr3+取代了处于弱晶体场环境的Al3+格位。通过晶体场参数计算和光谱分析,指认了样品光致发光的起源。通过激发光谱数据的计算,发现晶体场强度Dq/B=1.54<2.3,理论计算表明Cr3+离子处于较弱的晶体场格位环境,与实验研究结果相符合。发射光谱中670 nm宽带发射可归属为4T2→4A2的零声子线,744 nm和756 nm宽带发射对应于4T2→4A2的声子边带跃迁。热处理后的样品,余辉时间超过了300秒。尤其,与Cr3+离子处于中等和强晶体场格位的情形相比（发光峰位于697 nm）,处于弱晶体场环境的Cr3+离子近红外发射峰的极大值移动到744nm,更接近于第一生物窗口的中央,这将更有利于生物医学成像的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
•   1.1 长余辉发光材料
•     1.1.1 硫化物基长余辉
•     1.1.2 铝酸盐系列长余辉
•     1.1.3 硅酸盐系列长余辉
•     1.1.4 镓酸盐系列长余辉
•     1.1.5 其他系列基质长余辉
•   1.2 长余辉发光机理
•     1.2.1 导带-价带模型
•     1.2.2 隧穿模型
•   1.3 近红外长余辉发光材料研究现状
•   1.4 发光中心和基质的选择
•     1.4.1 发光中心
• 4的特征'>    1.4.2 基质CaGdAlO₄的特征
•   1.5 论文研究意义及其内容
•     1.5.1 研究意义
•     1.5.2 论文研究内容
• 第二章 样品的制备及表征方法
•   2.1 样品制备方法的选择
•   2.2 样品的表征方法
•     2.2.1 X射线衍射仪
•     2.2.2 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy,SEM）
•     2.2.3 RF-5301PC荧光分光光度计
• 3+取代Gd³⁺格位的CaGdAlO₄:Cr³⁺荧光粉的制备及光学特性的研究'>第三章 Cr³⁺取代Gd³⁺格位的CaGdAlO₄:Cr³⁺荧光粉的制备及光学特性的研究
•   3.1 主要的实验药品和仪器
•     3.1.1 主要的实验药品
•     3.1.2 实验设备
• 3+取代Gd³⁺的CaGdAlO₄:x%Cr³⁺的制备'>  3.2 不同掺杂浓度Cr³⁺取代Gd³⁺的CaGdAlO₄:x%Cr³⁺的制备
• 3+取代Gd³⁺的CaGdAlO₄:x%Cr³⁺粉末样品的结构表征'>  3.3 Cr³⁺取代Gd³⁺的CaGdAlO₄:x%Cr³⁺粉末样品的结构表征
• 3+取代Gd³⁺的CaGdAlO₄:x%Cr³⁺样品的光致发光特性'>  3.4 Cr³⁺取代Gd³⁺的CaGdAlO₄:x%Cr³⁺样品的光致发光特性
• 4:Cr³⁺样品的余辉和光激励发光特性'>  3.5 CaGdAlO₄:Cr³⁺样品的余辉和光激励发光特性
• 4:Cr³⁺样品的近红外长余辉发光特性'>    3.5.1 CaGdAlO₄:Cr³⁺样品的近红外长余辉发光特性
• 4:Cr³⁺样品的光激励发光特性'>    3.5.2 CaGdAlO₄:Cr³⁺样品的光激励发光特性
• 4:1.5%Cr³⁺的结构的影响'>  3.6 不同处理条件对于最优样品CaGdAlO₄:1.5%Cr³⁺的结构的影响
• 4:1.5%Cr³⁺的光致发光的影响'>  3.7 不同处理条件对于最优样品CaGdAlO₄:1.5%Cr³⁺的光致发光的影响
• 4:1.5%Cr³⁺的余辉性能的影响'>  3.8 不同处理条件对于CaGdAlO₄:1.5%Cr³⁺的余辉性能的影响
•   3.9 本章小结
• 3+取代Al³⁺格位的CaGdAlO₄:Cr³⁺荧光粉的制备及光学特性的研究'>第四章 Cr³⁺取代Al³⁺格位的CaGdAlO₄:Cr³⁺荧光粉的制备及光学特性的研究
• 4:Cr³⁺荧光粉制备原理'>  4.1 CaGdAlO₄:Cr³⁺荧光粉制备原理
•     4.2.1 样品的制备原理
•     4.2.2 样品制备具体过程
• 4:Cr³⁺粉末样品的结构表征'>  4.2 燃烧法制备的CaGdAlO₄:Cr³⁺粉末样品的结构表征
• 4:x%Cr³⁺样品的掺杂浓度对发光强度的影响'>  4.3 CaGdAlO₄:x%Cr³⁺样品的掺杂浓度对发光强度的影响
• 4:x%Cr³⁺样品的近红外余辉发光特性'>  4.4 CaGdAlO₄:x%Cr³⁺样品的近红外余辉发光特性
• 4:1.0%Cr³⁺的微结构'>  4.5 真空热处理条件下最优样品CaGdAlO₄:1.0%Cr³⁺的微结构
• 4:1.0% Cr³⁺的光致发光'>  4.6 真空热处理条件下最优样品CaGdAlO₄:1.0% Cr³⁺的光致发光
•   4.7 发光机制研究
•   4.8 长余辉特性研究
•   4.9 本章小结
• 3+取代Al³⁺格位的CaGdAlO₄:Cr³⁺晶体场参数的计算'>第五章 Cr³⁺取代Al³⁺格位的CaGdAlO₄:Cr³⁺晶体场参数的计算
•   5.1 三价铬离子与晶体场参数的关系
• 3+取代Al³⁺的CaGdAlO₄:x%Cr³⁺晶体场参数的计算'>  5.2 Cr³⁺取代Al³⁺的CaGdAlO₄:x%Cr³⁺晶体场参数的计算
•   5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间公开发表论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张楠

导师: 刘春光

关键词: 荧光粉,铬离子,光致发光,长余辉发光

来源: 东北师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,有机化工

单位: 东北师范大学

分类号: TQ422;O482.31

总页数: 52

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