/Ag双层上转换发光薄膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光致发光和太阳能电池技术领域，具体涉及稀土掺杂Al203/Ag双层上转换发光薄膜及其制备方法。
【背景技术】
[0002]上转换发光是通过吸收两个或者多个波长较长的光子而发出一个波长较短的光子来实现的反斯托克斯发光。稀土离子掺杂上转换发光材料在光通信、彩色显示、数据存储[1]、固态激光[2]、太阳能电池[3]及其他相关领域获得了广泛的应用，引起了越来越多的关注M[5]。目前研究较多的是Er3+掺杂体系，然而Er3+对近红外光子较小的吸收截面使得上转换发光强度难以得到提高，因此限制了它在以上各领域的应用。在基质材料中引入Yb3+形成Er 3+/Yb3+共掺体系可提高上转换发光强度M，因为Yb3+对近红外光子有较大的吸收截面，可以将吸收的入射光子能量传递给Er3+，从而提高发光效率。
[0003]A1203的声子密度比其他氧化物、氟化物略高，通常不用作上转换发光的基质材料。然而，稀土离子掺杂A1203薄膜却可能在硅太阳能电池中具有潜在的应用，因为硅太阳能电池本身含有A1203钝化层，因此稀土离子掺杂的A1 203层既可以作为太阳能电池的钝化层又可以作为上转换层[7]。
[0004]研究表明置于贵金属纳米结构附近的发光材料其发光强度可得到增强，这种增强是由贵金属纳米结构表面产生的局域表面等离子激元(LSPs)所导致的[8]。人们通常利用化学方法在基质材料中引入Ag的纳米晶，希望通过利用Ag纳米晶的表面等离子共振(SPR)现象使上转换发光得到增强。Sahar等[9]向Er 3+掺杂的磷酸盐玻璃中添加AgCl经热处理后得到尺寸约为37nm的Ag纳米颗粒从而使上转换荧光强度得到增强。黄茜等采用共烧结工艺将Ag纳米颗粒引入Er3+/Yb3+共掺的NaYF 4上转换材料中使全光谱范围增益达28%，最大增益达55%[1°]。也有报道通过溅射将贵金属制备于衬底之上，在其上沉积上转换材料
[11]，但这种方法在形成上转换发光材料的退火过程中会产生贵金属的扩散、团聚等现象，从而影响上转换发光的增强。
[0005]本发明提供一种Er、Yb共掺杂Al203/Ag双层上转换发光薄膜的制备方法。采用射频磁控溅射技术制备Er、Yb共掺杂A1203薄膜作为底层薄膜，采用直流磁控溅射技术在其上沉积不连续Ag膜作为顶层薄膜。靶材为镶嵌金属Er片和Yb片的A1203陶瓷靶，根据Er和Yb以及A1203的溅射产额，通过调整Er、Yb片和A1 203靶在溅射刻蚀区的面积来控制Er、Yb的掺杂含量，掺杂浓度和膜的厚度可以精确控制，方便高效。银膜的厚度及银岛状结构尺寸可以通过溅射功率及溅射时间来控制，所得到的双层薄膜其上转换发光性能远超单层Er、Yb掺杂A1203薄膜。
[0006]参考文献
[1]Scheps R.Upconvers1n laser processes.Prog.Quant.Electron.1996，20(4):271-358.[2]Kwasny M， Mierczyk Z, St^pien R， J^drze jewski K.Nd3+, Er3+and Pr3+-dopedfluoride glasses for laser applicat1ns.Journal of alloys and compounds.2000， 300:341-347.[3]Zheng J，Tao Y L, Wang ff, Ma Z H，Zuo Y H，Cheng B ff, Wang Q M.1ntense974nm emiss1n from ErxYb2 _ xSi207 films through efficient energy transferup-convers1n from Er3+ to Yb3+ for Si solar cell.Journal of Luminescence.2012，132:2341-2344.[4]Beurer E，Grimm J，Gerner P，Glide 1 H U.New Type of Near-1nfraredto Visible Photon Upconvers1n in Tm2+_Doped CsCaI3.J.Am.Chem.Soc.2006，128:3110-3111.[5]Shang Q，Yu H，Kong X, Wang H，Wang X, Sun Y，Zeng Q.Green and redup-convers1n emiss1ns of Er3+_Yb3+ Co-doped Ti02 nanocrystals prepared bysol-gel method.Journal of Luminescence.2008， 128:1211-1216.[6]Mao X G， Yan B X, Wang J， Shen J.Up-convers1n fluorescencecharacteristics and mechanism of Er3+_doped Ti02 thin films.Vacuum.2014，102:38-42.[7]Dong B，Li C R，Wang X J.Two color up-convers1n emiss1ns of Er3+_dopedA1203 nanopowders prepared by non-aqueous sol-gel method.J.Sol-Gel.Sc1.Technol.2007， 44: 161-166.[8]Cheng P H，Li D S，Yuan Z Z, Chen P L，Yang D R.Enhancement of ZnOlight emiss1n via coupling with localized surface plasmon of Ag island film.Appl.Phys.Lett.2008，92:041119.[9]Amjad R J，Sahar M R，Ghoshal S K，Dousti M R，Riaz S，Tahir B A.Enhanced infrared to visible upconvers1n emiss1n in Er3+ doped phosphateglass: Role of silver nanoparticles.Journal of Luminescence.2012，132:2714-2718.[10]佟建波，黄茜，张晓丹，张存善，赵颖.纳米Ag颗粒表面等离子激元对上转换材料光致发光性能影响的研究.物理学报.2012，61:47801.[11]Luo Q, Chen Y R, Li Z Q, Zhu F, Chen X H, Sun Z, Wei Y L, GuoH, Wang Z B, Huang S M.Large enhancements of NaYF4:Yb/Er/Gd nanorodupconvers1n emiss1ns via coupling with localized surface plasmon of Au film.Nanotechnology.2014, 25:185401。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种掺杂浓度和膜的厚度精确可控，上转换发光性能良好的Er、Yb共掺杂Al203/Ag双层上转换发光薄膜及其制备方法，这种双层薄膜的上转换发光性能远超单层Er、Yb掺杂A1203薄膜。
[0008]本发明是在石英或硅基片上制备双层薄膜，其中，底层薄膜为Er、Yb共掺杂的A1203薄膜，采用射频溅射技术沉积，溅射靶材为镶嵌金属Er片和Yb片的A1 203陶瓷靶，通过控制Er片和Yb片在溅射区的面积和溅射功率来控制Er、Yb掺杂量；顶层薄膜为不连续的Ag金属膜，采用直流磁控溅射技术沉积，靶材为Ag靶，通过控制Ag的溅射功率和时间可获得不同表面形貌的Ag膜，该Ag膜通过局域表面等离子体共振(LSPR)作用使上转换发光得到明显增强。
[0009]具体的制备条件如下:
(1)以石英或娃作为基片，使基片温度为室温~500°c；
(2)制备底层薄膜(Er、Yb共掺杂A1203膜):溅射前真空室本底压强低于1.0X103Pa，射频磁控溅射时使用