掺杂Ho3+的CdS纳米颗粒在二氧化硅玻璃中的光谱特性及可调可见光发射

《Journal of Luminescence》：Spectroscopic Properties and Tunable Visible Emission of Ho3+ Doped CdS Nanoparticles in Silica Glass

　　Ho3+掺杂CdS纳米颗粒在溶胶-凝胶法制备的SiO?基质中合成，通过FTIR、TEM和PL分析证实退火温度影响结晶度和发光特性，529 nm绿发射占主导，色纯度达91.47%，Judd-Ofelt分析得到辐射参数。

　　

Lalnunpuia Khiangte|S. Rai

激光与光子学实验室，物理系，米佐拉姆大学，Aizawl-796004，Aizawl，印度

摘要

通过原位溶胶-凝胶法在二氧化硅玻璃基质中合成了掺杂了Ho³⁺的CdS纳米颗粒，并系统地研究了它们的结构和光学性质。在100°C和350°C下进行的FTIR结构表征证实了退火对二氧化硅网络的影响。TEM分析显示平均颗粒尺寸为29.12纳米。CdS的发射带与Ho³⁺的激发带有明显的光谱重叠，表明存在从CdS到Ho³⁺离子的非辐射敏化途径。吸收光谱显示CdS的带边吸收以及Ho³⁺的尖锐f-f跃迁，利用Tauc分析得出光学带隙为2.9 eV。光致发光研究表明，当Ho³⁺掺杂量为3 mol%时，CdS宿主材料和Ho³⁺的发射都得到了最大强度。CIE色度分析表明所有样品的色纯度均超过70%，其中2 mol% Ho³⁺的样品色纯度最高，达到91.47%。退火研究表明，250°C时光致发光效果最佳，这归因于羟基的去除和缺陷态的形成；而更高的退火温度则导致离子聚集和缺陷密度降低。Judd–Ofelt分析得出Ω₂ = 2.51 × 10^-20 cm²、Ω₄ = 1.45 × 10^-20 cm²和Ω₆ = 1.31 × 10^-20 cm²，光谱品质因子为1.10。辐射参数和光学增益分析表明，529纳米处的⁵F₄ → ⁵I₈跃迁是主要的绿色发射峰，具有较高的分支比。这些发现突显了掺杂Ho³⁺的CdS纳米复合材料在可调可见光发光和有利的光学增益方面的潜力，展示了其在光子和显示应用中的潜力。

引言

近年来，对掺杂三价稀土离子的半导体纳米复合材料的研宄在不同研究领域带来了令人兴奋的前景[1], [2], [3], [4]。镧系离子能够在紫外（UV）、可见（Vis）和近红外（NIR）光谱区域发射光。诸如Eu³⁺、Sm³⁺、Dy³⁺、Pr³⁺等稀土离子由于在屏蔽电子构型中的4f-4f跃迁具有尖锐且可调的发射特性，因此在固态照明、显示、激光、光放大器和光电器件中具有广泛应用[5], [6], [7]。其中，钬离子（Ho³⁺）因其光学和多波长发射特性而受到广泛关注。这些离子在540-550纳米（绿色）和640-660纳米（红色）处发出尖锐的光，这是由于屏蔽的次级4f壳层中的f-f跃迁所致，使其在发光应用中具有潜力[8], [9]。然而，由于f-f跃迁的禁戒性质，Ho³⁺的吸收截面较低，这给直接激发带来了挑战[10]。尽管如此，Ho³⁺的能级结构允许非辐射吸收和间接激发，当与合适的半导体纳米颗粒结合时可以有效实现敏化，从而克服这一限制[11], [12]。

纳米级的半导体与其块体对应物相比具有独特的性质，主要是由于量子限制效应。在这些半导体纳米颗粒中，硫化镉（CdS）颗粒因其尺寸依赖性的可调带隙、在UV-Vis范围内的高吸收系数以及CdS纳米颗粒的化学和结构稳定性，以及典型的绿色到蓝色发射区域（450-550纳米）而受到广泛关注。这些性质使得CdS颗粒成为三价稀土离子的理想敏化剂和宿主材料[13], [14], [15], [16]。

溶胶-凝胶法仍然是一种简单、多功能且成本效益高的技术，用于合成掺杂稀土离子的纳米颗粒[17]，并将其嵌入二氧化硅玻璃基质中，可以精确控制化学成分的含量。二氧化硅玻璃基质具有高透明度、化学稳定性和低光散射等特性，使其非常适合用于掺杂稀土离子的纳米复合材料的制备[18], [19]。

Dey等人[20]报道了在硼硅酸盐玻璃中掺杂Ho³⁺的CdS纳米颗粒能够发出白光。他们的研究主要关注颜色输出的质量，但缺乏通过Judd–Ofelt（JO）分析、光谱重叠或工艺参数作用的机制性解释。Dutta等人[21]对通过溶胶-凝胶法制备的二氧化硅玻璃中的掺杂Ho³⁺的CdS纳米颗粒进行了JO分析和辐射参数研究，但他们的研究仅限于单一成分，未探讨掺杂水平或退火对发射强度、颜色坐标或能量转移机制的影响。

在本研究中，我们通过全面研究嵌入溶胶-凝胶衍生二氧化玻璃（CHS）中的掺杂Ho³⁺的CdS纳米颗粒，填补了这些空白。据我们所知，这是第一项结合结构分析（FTIR、XRD、TEM）、激发-发射重叠映射、浓度依赖性发光行为、色度调节以及完整的Judd–Ofelt辐射分析的研究，针对通过溶胶-凝胶原位合成的掺杂Ho³⁺的CdS纳米颗粒。这种综合方法提供了以往研究中缺失的机制性见解，并突显了该材料在可调光电子应用中的潜力。

实验部分

实验

使用原位溶胶-凝胶技术制备了嵌入二氧化硅玻璃基质中的掺杂Ho³⁺的CdS纳米颗粒[6]。合成前驱体包括四乙基正硅酸盐（TEOS，Sigma Aldrich，98%）、六水合氯化钬（HoCl₃.6H₂O，Sigma Aldrich，99.9%）、四水合硝酸镉（Cd(NO₃)₂.4H₂O，Sigma Aldrich，98%）、乙醇（C₂H₅OH，Sigma Aldrich，99.0%）、硫脲（SC(NH₂)₂（Sisco Research Laboratory，98%）、硝酸（HNO₃，HiMedia，68-72%）和三乙醇胺（TEA）。

FTIR分析

图1显示了在100°C和350°C下退火的CHS10的FTIR光谱。光谱的检测范围为400 cm^-1至4000 cm^-1。3400 cm^{-1-1-1处的带面积从100°C时的4186.5 %.cm-1减小到}

结论

我们成功证明了在溶胶-凝胶衍生的二氧化玻璃基质中原位形成了掺杂Ho³⁺的CdS纳米颗粒，并系统研究了Ho³⁺浓度和退火的影响。结构研究表明CdS纳米颗粒在二氧化硅宿主材料中发生了结晶，而光致发光和激发光谱显示CdS的发射与Ho³⁺的吸收之间存在光谱重叠，表明存在有效的敏化途径。Ho³⁺的发射强度强烈依赖于

CRediT作者贡献声明

Suman Rai：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、软件使用、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。Lalnunpuia Khiangte：撰写 – 初稿撰写、数据可视化、方法设计、实验研究、数据分析

未引用的参考文献

[44]; [45]。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：

Lalnunpuia Khiangte由米佐拉姆大学提供支持。Lalnunpuia Khiangte与米佐拉姆大学存在非财务支持关系。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

Lalnunpuia Khiangte衷心感谢印度科学与工业研究委员会（CSIR）提供的财政支持（JRF）[文件编号：09/0864(21347)/2025-EMR-I]。作者们还感谢古瓦哈提IIT的中央仪器设施（CIF）提供的XRD和TEM测量服务。