光學溫度傳感材料Bi₃TiNbO₉Er³⁺/Yb³⁺及其薄膜的製備方法

2023-10-18 15:57:14

專利名稱：光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9Er3+/Yb3+及其薄膜的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種光學溫度傳感材料的製備方法。
背景技術：
光學溫度傳感器引起人們注意的主要原因是源於用於信號傳輸的光波導和金屬導線的基本差別，這些差異賦予了光學傳感器以下的有價值的特性對電和磁的不敏感性、 傳感器尺寸小、安全性高、遙感測量能力。但是由於稀土離子局域對稱性的限制，使得Er3+ 摻雜的材料發光不是很強。而在近紅外雷射激發下，Yb3+的吸收截面要遠大於Er3+的吸收截面，Yb3+吸收光子能量後將能量傳遞給Er3+，從而大大的增加上轉換發光效率。1995年 Maciel等人在氟化物玻璃中摻入Er3+離子，利用2H11/2和4S2/3能級發射的螢光強度比隨溫度變化的特性製備成螢光溫度傳感材料。測溫範圍為300K到448K，在此溫度範圍內傳感材料的最大靈敏度為 0. 0040/K (Maciel G S et al. IEEE Photonic Tech. Lett.，1995，7 (12) 1474 1476)。1998年Dos Santos等人製備了 Er3+單摻雜和Er3+、Yb3+共摻雜的硫化物玻璃溫度傳感材料。測溫範圍為293K到523K，在此範圍內Er3+單摻雜和Er3+、Yb3+共摻雜的硫化物玻璃溫度傳感材料的最大靈敏度分別為0. 0052/K和0. 0102/K(Dos SantosP V et al. Appl. Phys. Lett.，1998，73 (5) 578 580)。2007 年 Li 等人製備了 Er3+、Yb3+ 共摻雜的硫化物玻璃溫度傳感材料，測溫範圍為300K到723K，在此溫度範圍內其最大靈敏度為
0.0033/K(Li C et al. Chem. Phys. Lett.，2007，443 (5) :426_429)。

發明內容
本發明的目的是提供一種可以用於高溫環境檢測和低溫環境測量的寬溫度測量範圍光學溫度傳感材料，具體的是一種光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9:Er37Yb3+及其薄膜的製備方法。本發明光學溫度傳感材料Bi3TiNb09:Er37Yb3+的製備方法如下一、稱量Bi203、 TiO2, Nb2O5, Er2O3和Yb2O3，然後放入球磨罐中以150轉/分鐘 200轉/分鐘的速度球磨24 48小時混合均勻，得混合粉末，其中Bi203、TiO2與Nb2O5的摩爾比為1. 11
1.395 1 0. 5，Nb2O5 與 Er2O3 的摩爾比為 0. 5 0. 075 0. 015，Er2O3 與 Yb2O3 的摩爾比為0. 075 0. 015 0. 075，所述Bi2O3、TiO2、Nb205、Er2O3和Yb2O3的總質量與球磨罐中磨球的質量比為3 4 1 ；二、將混合粉末放入高溫爐中在850°C 950°C預燒2 3小時， 放入球磨罐中以150轉/分鐘 200轉/分鐘的速度球磨24 48小時，然後再用鋼製磨具壓成薄片，將薄片放入高溫爐中在1000°c 1100°C進行燒結3 4小時，得光學溫度傳感材料Bi3TiNb09:Er3+/Yb3+，所述混合粉末與球磨罐中磨球的質量比為3 4 1 ；步驟一球磨罐中所用的磨球是由直徑為20mm的瑪瑙球、直徑為IOmm的瑪瑙球和直徑為6mm的瑪瑙球按照1 10 15的個數比組成；步驟二球磨罐中所用的磨球是由直徑為20mm的瑪瑙球、直徑為IOmm的瑪瑙球和直徑為6mm的瑪瑙球按照1 10 15的個數比組成。
光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9:Er37Yb3+薄膜的製備方法如下將上述光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9:Er3+/Yb3+放入脈衝沉積系統的真空室中，然後在氧氣壓為13Pa 26Pa、 襯底溫度為550°C 600°C的條件下用準分子雷射器轟擊30分鐘 60分鐘，即得光學溫度傳感材料 Bi3TiNbO9:Er37Yb3+ 薄膜。


圖1是具體實施方式
十三所得光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9:Er37Yb3+的螢光隨溫度的變化關係曲線，圖中為693K的條件下光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9:Er37Yb3+的螢光隨溫度的變化關係曲線，□為603K的條件下光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9:Er37Yb3+的螢光隨溫度的變化關係曲線，·為513K的條件下光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9:Er37Yb3+的螢光隨溫度的變化關係曲線，。為423K的條件下光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9:Er37Yb3+的螢光隨溫度的變化關係曲線，▲為333K的條件下光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9:Er37Yb3+的螢光隨溫度的變化關係曲線，Δ為243Κ的條件下光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9:Er37Yb3+的螢光隨溫度的變化關係曲線，▽為153K的條件下光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9:Er37Yb3+的螢光隨溫度的變化關係曲線；圖2是具體實施方式
十三所得光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9 = Er3+/ Yb3+在2Hiv2 — 4I1572和4Sv2 — 4I1572發光的積分光強比隨溫度的變化圖，圖中為實驗數據點，「為擬合曲線；圖3是以具體實施方式
十三所得光學溫度傳感材料Bi3TiNb09:Er37Yb3+ 製備的溫度傳感器靈敏度隨溫度的變化曲線。
具體實施例方式本發明技術方案不局限於以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式中光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9:Er37Yb3+的製備方法如下一、稱量Bi203、Ti02、Nb205、Er203和Yb2O3，然後放入球磨罐中以150轉/分鐘 200 轉/分鐘的速度球磨24 48小時混合均勻，得混合粉末，其中Bi203、TiO2與Nb2O5的摩爾比為 1.11 1.395 1 0. 5，Nb2O5 與 Er2O3 的摩爾比為 0. 5 0. 075 0. 015，Er2O3 與 Yb2O3 的摩爾比為 0. 075 0. 015 0. 075，所述 Bi203、TiO2, Nb2O5, Er2O3 和 Yb2O3 的總質量與球磨罐中磨球的質量比為3 4 1 ；二、將混合粉末放入高溫爐中在850°C 950°C預燒2 3小時，放入球磨罐中以150轉/分鐘 200轉/分鐘的速度球磨24 48小時，然後再用鋼製磨具壓成薄片，將薄片放入高溫爐中在1000°c 1100°C進行燒結3 4小時， 得光學溫度傳感材料Bi3TiNb09:Er37Yb3+，所述混合粉末與球磨罐中磨球的質量比為3 4 1。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一球磨罐中所用的磨球是由直徑為20mm的瑪瑙球、直徑為IOmm的瑪瑙球和直徑為6mm的瑪瑙球按照 1 10 15的個數比組成。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中Bi203、TiO2, Nb2O5、Er2O3和Yb2O3的摩爾比為1. 395 1 0. 5 0. 06 0.075。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二球磨罐中所用的磨球是由直徑為20mm的瑪瑙球、直徑為IOmm的瑪瑙球和直徑為6mm的瑪瑙球按照 1 10 15的個數比組成。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中將混合粉末放入高溫爐中在860°C 920°C預燒。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中將混合粉末放入高溫爐中在900°C預燒。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中將薄片放入高溫爐中在1050°C進行燒結。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
八本實施方式光學溫度傳感材料Bi3TiNb09:Er37Yb3+薄膜的製備方法如下將具體實施方式
一所得光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9:Er37Yb3+放入脈衝沉積系統的真空室中，然後在氧氣壓為13Pa 26Pa、襯底溫度為550°C 600°C的條件下用準分子雷射器轟擊30分鐘 60分鐘，即得光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9:Er37Yb3+薄膜。本實施方式中所得的光學溫度傳感材料Bi3TiNb09:Er37Yb3+薄膜的厚度為 650nm 1300nmo具體實施方式
九本實施方式中光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9:Er37Yb3+的製備方法如下一、稱量Bi203、Ti02、Nb205、Er203和Yb2O3，然後放入球磨罐中以150轉/分鐘的速度球磨24小時混合均勻，得混合粉末，其中Bi2O3JiO2與Nb2O5的摩爾比為1. 11 1 0. 5， Nb2O5與Er2O3的摩爾比為0.5 0. 075，Er2O3與Yb2O3的摩爾比為0. 075 0. 075，所述 Bi203、TiO2, Nb2O5, Er2O3和Yb2O3的總質量與球磨罐中磨球的質量比為3 1 ；二、將混合粉末放入高溫爐中在850°C預燒2小時，放入球磨罐中以150轉/分鐘鐘的速度球磨24小時， 然後再用鋼製磨具壓成薄片，將薄片放入高溫爐中在IOOiTC進行燒結3小時，得光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9:Er3+/Yb3+，所述混合粉末與球磨罐中磨球的質量比為3 1。本實施方式步驟一球磨罐中所用的磨球是由直徑為20mm的瑪瑙球、直徑為IOmm 的瑪瑙球和直徑為6mm的瑪瑙球按照1 10 15的個數比組成；步驟二球磨罐中所用的磨球是由直徑為20mm的瑪瑙球、直徑為IOmm的瑪瑙球和直徑為6mm的瑪瑙球按照 1 10 15的個數比組成。
具體實施方式
十本實施方式中光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9:Er37Yb3+的製備方法如下一、稱量Bi203、Ti02、Nb205、Er203和Yb2O3，然後放入球磨罐中以200轉/分鐘的速度球磨48小時混合均勻，得混合粉末，其中Bi2O3JiO2與Nb2O5的摩爾比為1. 395 1 0. 5， Nb2O5與Er2O3的摩爾比為0.5 0. 015，Er2O3與Yb2O3的摩爾比為0. 015 0. 075，所述 Bi203、TiO2, Nb2O5, Er2O3和Yb2O3的總質量與球磨罐中磨球的質量比為4 1 ；二、將混合粉末放入高溫爐中在950°C預燒3小時，放入球磨罐中以200轉/分鐘的速度球磨48小時，然後再用鋼製磨具壓成薄片，將薄片放入高溫爐中在IlOiTC進行燒結4小時，得光學溫度傳感材料Bi3TiNb09:Er3+/Yb3+，所述混合粉末與球磨罐中磨球的質量比為4 1。本實施方式步驟一球磨罐中所用的磨球是由直徑為20mm的瑪瑙球、直徑為IOmm 的瑪瑙球和直徑為6mm的瑪瑙球按照1 10 15的個數比組成；步驟二球磨罐中所用的磨球是由直徑為20mm的瑪瑙球、直徑為IOmm的瑪瑙球和直徑為6mm的瑪瑙球按照 1 10 15的個數比組成。
具體實施方式
十一本實施方式中光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9:Er37Yb3+的製備方法如下一、稱量Bi203、Ti02、Nb205、Er203和Yb2O3，然後放入球磨罐中以160轉/分鐘的速度球磨28小時混合均勻，得混合粉末，其中Bi2O3JiO2與Nb2O5的摩爾比為1. 11 1 0. 5， Nb2O5與Er2O3的摩爾比為0.5 0. 075，Er2O3與Yb2O3的摩爾比為0. 075 0. 075，所述 Bi203、TiO2, Nb2O5, Er2O3和Yb2O3的總質量與球磨罐中磨球的質量比為3 4 1 ；二、將混合粉末放入高溫爐中在880°C預燒2. 3小時，放入球磨罐中以160轉/分鐘的速度球磨28 小時，然後再用鋼製磨具壓成薄片，將薄片放入高溫爐中在1050°C進行燒結3. 5小時，得光學溫度傳感材料財311他09工1~3+八133+，所述混合粉末與球磨罐中磨球的質量比為3.5 1。本實施方式步驟一球磨罐中所用的磨球是由直徑為20mm的瑪瑙球、直徑為IOmm 的瑪瑙球和直徑為6mm的瑪瑙球按照1 10 15的個數比組成；步驟二球磨罐中所用的磨球是由直徑為20mm的瑪瑙球、直徑為IOmm的瑪瑙球和直徑為6mm的瑪瑙球按照 1 10 15的個數比組成。
具體實施方式
十二 本實施方式中光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9Er3VYb3+的製備方法如下一、稱量Bi203、TiO2, Nb2O5, Er2O3和Yb2O3，然後放入球磨罐中以180轉 /分鐘的速度球磨30小時混合均勻，得混合粉末，其中Bi203、TiO2與Nb2O5的摩爾比為 1.395 1 0. 5，Nb2O5 與 Er2O3 的摩爾比為 0. 5 0. 015，Er2O3 與 Yb2O3 的摩爾比為 0.015 0. 075，所述Bi203、Ti02、Nb205、Er203和Yb2O3的總質量與球磨罐中磨球的質量比為 3.4 1 ；二、將混合粉末放入高溫爐中在900°C預燒2. 8小時，放入球磨罐中以180轉/分鐘的速度球磨30小時，然後再用鋼製磨具壓成薄片，將薄片放入高溫爐中在1080°C進行燒結3. 8小時，得光學溫度傳感材料Bi3TiNb09:Er37Yb3+，所述混合粉末與球磨罐中磨球的質量比為3. 4 1。本實施方式步驟一球磨罐中所用的磨球是由直徑為20mm的瑪瑙球、直徑為IOmm 的瑪瑙球和直徑為6mm的瑪瑙球按照1 10 15的個數比組成；步驟二球磨罐中所用的磨球是由直徑為20mm的瑪瑙球、直徑為IOmm的瑪瑙球和直徑為6mm的瑪瑙球按照 1 10 15的個數比組成。
具體實施方式
十三本實施方式中光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9 = Er3+/ Yb3+的製備方法如下一、將Bi203、TiO2, Nb2O5, Er2O3和Yb2O3按照摩爾比為 1.395 1 0.5 0. 06 0. 075的比例稱量，然後放入球磨罐中以150轉/分鐘的速度球磨24小時混合均勻，得混合粉末，所述Bi203、TiO2, Nb2O5, Er2O3和Yb2O3的總質量與球磨罐中磨球的質量比為3 1 ；二、將混合粉末放入高溫爐中在900°C預燒3小時，放入球磨罐中以150轉/分鐘的速度球磨24小時，然後再用鋼製磨具壓成薄片，將薄片放入高溫爐中在1050°C進行燒結3小時，得光學溫度傳感材料Bi3TiNb09:Er37Yb3+，所述混合粉末與球磨罐中磨球的質量比為3 1。本實施方式步驟一球磨罐中所用的磨球是由直徑為20mm的瑪瑙球、直徑為IOmm 的瑪瑙球和直徑為6mm的瑪瑙球按照1 10 15的個數比組成；步驟二球磨罐中所用的磨球是由直徑為20mm的瑪瑙球、直徑為IOmm的瑪瑙球和直徑為6mm的瑪瑙球按照 1 10 15的個數比組成。由圖1看出隨著溫度的增加無輻射弛豫效益增強，導致上轉換螢光的絕對強度降低。為了對比螢光的相對強度，我們對螢光光譜進行歸一化。可以看出歸一化後， 2H1172 — 4I1572與4S4/2 — 4I1572發射帶的螢光發射相對強度之比隨著溫度的增加而增加。這是由於2H11/2和4S4/2能級之間的能量間隔很小是熱耦合能級，溫度增加時4S4/2能級上的粒子有利於被熱激發到2Hiv2能級之上。在這種情況下，這兩個能級的發射可以用式(1)表示
權利要求
1.光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9= Er3+Ab3+的製備方法，其特徵在於光學溫度傳感材料 Bi3TiNbO9IEr3VYb3+ 的製備方法如下一、稱量 Bi203、Ti02、Nb205、Er2O3 和 Yb2O3，然後放入球磨罐中以150轉/分鐘 200轉/分鐘的速度球磨M 48小時混合均勻，得混合粉末， 其中Bi203、TiO2與恥205的摩爾比為1. 11 1. 395 1 0. 5，Nb2O5與Er2O3的摩爾比為 0.5 0.075 0.015，Er2O3 與 Yb2O3 的摩爾比為 0.075 0.015 0. 075，所述 Bi203、Ti02、 Nb2O5, Er2O3和Yb2O3的總質量與球磨罐中磨球的質量比為3 4 1 ；二、將混合粉末放入高溫爐中在850°C 950°C預燒2 3小時，放入球磨罐中以150轉/分鐘 200轉/分鐘的速度球磨M 48小時，然後再用鋼製磨具壓成薄片，將薄片放入高溫爐中在1000°C 1100°C進行燒結3 4小時，得光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9 = Er3+Ab3+,所述混合粉末與球磨罐中磨球的質量比為3 4 1。
2.根據權利要求1所述光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9= Er3+Ab3+的製備方法，其特徵在於步驟一球磨罐中所用的磨球是由直徑為20mm的瑪瑙球、直徑為IOmm的瑪瑙球和直徑為 6mm的瑪瑙球按照1 10 15的個數比組成。
3.根據權利要求1所述光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9= Er3+Ab3+的製備方法，其特徵在於步驟一中 Bi203、Ti02、Nb205、Er20jP YId2O3 的摩爾比為 1. 395 1 0. 5 0.06 0.075。
4.根據權利要求1所述光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9= Er3+Ab3+的製備方法，其特徵在於步驟二球磨罐中所用的磨球是由直徑為20mm的瑪瑙球、直徑為IOmm的瑪瑙球和直徑為 6mm的瑪瑙球按照1 10 15的個數比組成。
5.根據權利要求1所述光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9= Er3+Ab3+的製備方法，其特徵在於步驟二中將混合粉末放入高溫爐中在860°C 920°C預燒。
6.根據權利要求1所述光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9= Er3+Ab3+的製備方法，其特徵在於步驟二中將混合粉末放入高溫爐中在900°C預燒。
7.根據權利要求1所述光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9= Er3+Ab3+的製備方法，其特徵在於步驟二中將薄片放入高溫爐中在1050°C進行燒結。
8.光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9= Er3+Ab3+薄膜的製備方法，其特徵在於光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9 = Er3+Ab3+薄膜的製備方法如下將權利要求1所述光學溫度傳感材料 Bi3TiNbO9 = Er3+Ab3+放入脈衝沉積系統的真空室中，然後在氧氣壓為131 26Pa、襯底溫度為550°C 600°C的條件下用準分子雷射器轟擊30分鐘 60分鐘，即得光學溫度傳感材料 Bi3TiNbO9: Er3+/Yb3+ 薄膜。
全文摘要
光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9:Er3+/Yb3+及其薄膜的製備方法，它涉及一種光學溫度傳感材料的製備方法。本發明的目的是提供一種可以用於高溫環境檢測和低溫環境測量的寬溫度測量範圍光學溫度傳感材料。本發明的製備方法如下將Bi2O3、TiO2、Nb2O5、Er2O3和Yb2O3球磨後的混合粉末放入高溫爐中預燒，再球磨，然後燒結。本發明的光學溫度傳感材料Bi3TiNbO9:Er3+/Yb3+溫度測量範圍大(工作溫度範圍為123K～693K)，測量靈敏度高(靈敏度最大值為0.0032/K)，是一種可以用於高溫環境檢測和低溫環境測量的寬溫度測量範圍光學溫度傳感材料。
文檔編號C01G33/00GK102173453SQ20111003000
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月27日 優先權日2011年1月27日
發明者張明福, 張治國, 張銳, 曹文武, 楊彬, 王竹, 陳恆智 申請人:哈爾濱工業大學