1.1、研究量子剪裁的意义
近年来, 稀土离子在真空紫外范围(VUV)内光谱性质的研究越来越受到重视。这是因为不同的应用领域对这类在VUV区间光活性的材料有着强烈的需求。稀土元素由于其独特的电子层结构及物理化学性质而被广泛的应用于传统材料改性和新材料的开发研究中,目前对掺杂稀土元素的各种材料的研究已经深入到了现代科学技术的各个领域,包括光学、电子、磁学、原子能等[1-2]。例如可用于绿色照明和等离子体电视的VUV光子激发的高效荧光粉;可用于高能物理研究和医学诊断的新型闪烁体;可用于光刻、光化学、激光生物等方面的高效、全固体VUV 激光材料等[1]。真空紫外发光材料是一种由位于100-200nm范围内的真空紫外光激发的光致发光材料,能够将高能气体放电产生的真空紫外光光子转换成为可见光光子,近年来被广泛的应用于新兴的等离子平板显示器(PDP)和绿色照明(无汞荧光灯),以及液晶显示(LCD)背光源等领域。然而,现有的真空紫外三基色荧光粉普遍存在发光效率相对较低的问
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,这是由于在真空紫外(VUV)光子转化为可见光光子的过程中,只有20-30%的激发能量被有效的利用,大部分能量主要以热能形式损失掉了,使得其发光亮度优势无法体现,而且产品耗电量相对较高,影响了发光器件的性能及使用寿命,不能够很好地满足相关领域产品的应用要求,从而制约了等离子显示和绿色照明相关产业的发展。因此,开发新型的高量子效率的真空紫外发光材料具有重要的现实意义。在此基础上,考虑到能量转换过程中较高的损失率,若能够使一个高能的VUV光子转换成两个或多个低能的可见光光子(能量下转换过程),就可以提高能量的有效利用率,从而提高发光量子效率,量子剪裁发光材料就是这样一种理想的材料,最近几十年来已逐渐成为研究者关注的焦点[2]。
1.2、量子剪裁的原理
从新兴的绿色照明和等离子平板显示产业对发光材料的需求可以看出,寻求高的发光效率是荧光材料研究开发的首要目标。荧光粉的发光效率与其吸收效率和能量效率成正比关系,要提高发光效率,就是要提高材料的吸收效率和能量效率。
一直以来,低压汞灯是气体放电光源的重要应用方向,低压汞灯的发光材料主要是将254nm和155nm的UV/VUV光转化为可见光。汞由于其高的放效率而被广泛应用于荧光灯等照明器件中,但是使用汞存在着一些严重的缺点,首先,汞蒸气
是有毒的,它具有生物积累性,对人体健康有害,因此汞的用量必须最小化。另外,汞在常温下是液体,而在荧光照明中则需要用汞蒸气,所以开灯时需要一定的响应时间使汞先转变为蒸气,这就阻碍了含汞荧光灯在快速响应器件(诸如汽车的刹车灯)中的应用。基于此,开发无汞荧光灯成为照明行业目前关注的主要问题,无汞荧光灯中采用惰性气体放电代替汞蒸气放电,以达到绿色环保的目的。Xe气在惰性气体中的能量转化率是最高的,已报道Xe气的最高放电效率为65%,接近于汞的放电效率(75%)。Xe放电激发产生VUV辐射波长为147nm和172nm(二者的比率与Xe气的压强有关)。水银荧光灯中的荧光粉具有接近100%的量子效率,因此为了使采用惰性气体放电的无汞荧光灯具有竞争力,就应期望量子效率高于100%的vuv激发的发光材料,也就是每吸收一个vuV光子,发射不只一个可见光光子.这种现象就叫量子剪裁(或双光子发射,级联光子发射)。这样的发光材料被称为量子剪裁材料。理论上,这种双光子发射的过程是可能的,因为惰性气体放电产生的VuV光子有足够高的能量,可以转变为2个可见光光子的能量。Oskam 的研究组对比法国人Auzel提出的上转换概念,将这种复合体系的量子剪裁称之为下转换.最近几十年量子剪裁效应的研究已经成为提高发光效率的一个潜在途径,很多研究者都开始致力于新型量子剪裁荧光材料的开发与研制工作。[2,3,5]。
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