自1999年惨铋材料的近红外宽带光辖射特性被发现以来,研究人员对掺铋材料进行了大量的研究。人们通过研究不同组份的掺杂而制作玻璃,试图弄清楚其近红外宽带发光中心,但是由于发光中心随掺杂组份不同而变化较大,受外界环境影响非常严重,其发光机理依旧没有定论。掺铋玻璃的研究已有许多,因为其近红外宽带发光特性可用于光纤通信制作宽带光源或宽带光纤放大器,所以对掺铋光纤的研究也尤为重要。
Bi3+和Bi2+这两种离子掺杂的材料发光谱在紫外或可见光区域,其荧光寿命大致有几十个微秒。激发态的光谱特性和焚光寿命与铋掺杂材料的近红发光区别非常明显。因此,现在研究人员一致认为二价和三价铋离子不是近红外发光的起源。
(1)Bi5+为近红外发光中心
Fujimoto等人对掺铋石英玻璃进行了严谨etJ电子自旋共振实验[4],并得出结论Bi5+应该是近红外辐射中心。铋离子的基态是iSfl,位于300、500、700和800nm的吸收带分别归因于iSo和1D2、3Di、3D2和3D3之间的跃迁。随后为了验证Bi5+的存在,他们又进行了不同的实验例如扩展X射线吸收精细结构、X射线光电子能谱分析和核磁共振。通过上述实验Fujimoto等人认为检查过的掺铋石英玻璃中有Bi5+存在。Xia等人制作铋掺杂玻璃Ge02-Al203-Na20 (GANB)、GeOi-AlaOa-BaO (GABB)和 GeC^-AlzCVYzCb (GAYB)并对其进行实验发现铋相关的光吸收和近红外光辖射强度按照顺序GANB<GAYB<GABB依次增加,并把这种现象归因于Bi5+浓度的增加,认为Bi5+是近红外发光中心。
(2) Bi5+On2-分子内电荷转移(Intramolecular charge transfer, ICT)模型
Kustov等人提出了一个关于Bi04的ICT模型用来解释铋掺杂玻璃的光谱特性。这个模型是基于分子轨道理论和薛定谔方程的,考虑了自旋轨道交换、铋原子的S、P、d电子壳层与氧原子的S、P电子壳层场势能的相互作用。这种模型适用于同样有近红外发光的其它原子(例如In, Pb, Tl, Te等),这些原子的电子壳层结构与铋原子是相似的。
