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基本信息
- 項目名稱：
- LaF3:Eu3+紅色熒光粉的水熱合成和熒光性能研究
- 小類：
- 能源化工
- 簡介：
- 本研究采一種簡單的低溫水熱法制備了LaF3:Eu3+紅色熒光粉, 通過X射線粉末衍射(XRD) 、高分辨透射電鏡（HRTEM）、掃描電子顯微鏡(SEM)、紫外漫反射光譜（UV-vis）、 紅外光譜儀(IR)和熒光光譜(FL)等技術(shù)表征了樣品，并探討了溶液的pH、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度，Eu3+摻雜濃度，氟源種類對產(chǎn)品熒光性能的影響。
- 詳細介紹：
- 中國擁有得天獨厚的稀土資源和應(yīng)用開發(fā)優(yōu)勢，世界上已經(jīng)查明的世界稀土資源的80%屬于中國，并且品種齊全。從1986年起，中國稀土資源產(chǎn)量已躍居世界第一位，從資源大國成為稀土生產(chǎn)大國。目前，無論是儲存、產(chǎn)量，還是出口量，中國在世界稀土市場占有舉足輕重的地位。稀土元素由于具有特殊的電子結(jié)構(gòu)，它們在光學(xué)方面有著特殊的性質(zhì),成為發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵元素，在信息、生物、新材料、新能源、空間和海洋六大新科技群中有著重要的作用。至今，對稀土發(fā)光材料及其器件構(gòu)建的研究是化學(xué)和材料界研究的熱點。吳大雄對LaF3 灼燒的退火溫度對晶粒的影響做了詳細探索，實驗發(fā)現(xiàn)納米尺寸的LaF3晶體具有高比例的晶界，該晶界擁有較多的缺陷，原子所受束縛比較少，致使原子的遷移能力強于晶核內(nèi)部。另外，LaF3 晶體還有具有低的聲子能量、高的熱穩(wěn)定性和環(huán)境穩(wěn)定性, 并對所有的稀土離子有很強的溶解性, 致使LaF3 成為很好的固體電解質(zhì)、電極材料、優(yōu)良的光學(xué)基質(zhì)材料。此外，納米尺寸的LaF3納米材料在潤滑劑、發(fā)光劑、鋼鐵和有色金屬合金添加劑、永磁材料、儲氫合金等方面都有著重要的用途。近年來對以LaF3為載體用稀土摻雜的納米熒光材料研究的較多，但針對水熱反應(yīng)條件對其熒光性能影響的研究不多，而通過控制水熱反應(yīng)條件優(yōu)化紅色熒光材料LaF3:Eu3+晶粒尺寸、發(fā)光強度、色純度等方面的研究甚少。因此，尋求一種尺寸和形貌可控的LaF3:Eu3+納米晶的合成方法以及深入探討合成條件的影響以及Eu3+摻雜對基體LaF3的敏化作用的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。 本課題以等離子體平板顯示器(Plasma Display Panels，簡稱PDPs )為研究背景。PDPs是一種氣體放電的平板顯示器, 其內(nèi)池涂有紅、綠、藍三色熒光粉，控制電路電壓和時間就可得各種彩色的畫面。傳統(tǒng)的PDPs 所用的發(fā)光材料均沿用燈用發(fā)光材料，其效率低、穩(wěn)定性差、顏色不匹配等, 急需改進和研制新的發(fā)光材料，而稀土摻雜氟化物納米發(fā)光材料具有效率高、穩(wěn)定性好、色純度高等特點。 此外稀土摻雜氟化物納米材料具有較低的聲子能，可以降低非輻射躍遷提高發(fā)光強度，在氧化物、硫化物、磷化物等眾多基質(zhì)中脫穎而出,被廣泛應(yīng)用在生物標(biāo)記、醫(yī)學(xué)成像、分析檢測、疾病治療等各個領(lǐng)域。 本文以LaF3為載體，利用水熱法直接合成納米級LaF3:Eu3+熒光材料。采用X射線粉末衍射(XRD) 、高分辨透射電鏡（HRTEM）、掃描電子顯微鏡(SEM)、紫外漫反射光譜（UV-vis）、 紅外光譜儀(IR)和熒光光譜(FL)等技術(shù)分別探討了摻雜濃度、pH值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、650℃灼燒時間對樣品的物相結(jié)構(gòu)、形態(tài)分布、形貌尺寸、光學(xué)性能的影響及其原因。 測試結(jié)果表明，LaF3:Eu3+樣品具有良好的結(jié)晶度，屬于六方相晶體結(jié)構(gòu)，其晶粒尺寸在12-50 nm內(nèi)。熒光結(jié)果表明，LaF3:Eu3+納米晶在397nm(7F0 →5L6 )光源激發(fā)下表現(xiàn)出良好的橙紅色發(fā)射（592 nm，5D0→7F1）。當(dāng)Eu3+離子摻雜摩爾濃度為10 %時，樣品的熒光強度達到最大值，但煅燒后的樣品表現(xiàn)出較強的紅光發(fā)射（619 nm，5D0→7F2）。更高的Eu摻雜濃度會引起熒光猝滅。 結(jié)論 （1）XRD測試表明，水熱合成的LaF3:Eu3+結(jié)晶度良好，為六方相晶體，晶粒尺寸大小在 10nm~50nm內(nèi)。 （2）SEM和TEM測試結(jié)果說明，粒子晶型比較規(guī)整，邊沿較清晰，晶格條紋呈60度角屬于六方相晶系。樣品具有很整齊晶格條紋，對應(yīng)于（110）晶面的間距為0.358nm。樣品具有很整齊的斑點表明了樣品為單晶結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果與XRD衍射光譜測試相符，說明通過XRD衍射所得樣品的晶粒尺寸大小與SEM和TEM的分析比較吻合。 （3）紫外-可見漫發(fā)射分析結(jié)果表明，灼燒時間的延長使得LaF3:Eu3+的晶粒尺寸的不斷增大，能量的禁帶寬度變大，致使吸收峰移向高能區(qū)，符合MILLS和JUDD[7]所描述的量子限域效應(yīng)。 （4）紅外光譜分析顯示，LaF3?Eu3+存在著末端羥基基團，這是晶體中水分子中的H-O-H的彎曲振動。對稀土離子而言，水是一種很強的配位體，所以晶體存在著末端羥基基團。經(jīng)過灼燒的晶體，紅外主要吸收帶有明顯的藍移現(xiàn)象，這是由于LaF3?Eu3+在高溫下引入氧原子的緣故。 （5）樣品的熒光分析結(jié)果顯示，熒光材料LaF3:Eu3+的水熱反應(yīng)最佳條件是在pH為9，摻雜的摩爾分數(shù)是10%，在反應(yīng)溫度為100℃的水熱條件下反應(yīng)12 h。能獲得最強的熒光。反應(yīng)的pH、摻雜的濃度，反應(yīng)的溫度和時間對晶體的熒光特性均有較大的影響。在650℃下灼燒8h晶體的缺陷減少，熒光強度增強。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 等離子體平板顯示器(Plasma Display Panels，簡稱PDPs )是一種氣體放電的平板顯示器, 其內(nèi)池涂有紅、綠、藍三色熒光粉，控制電路電壓和時間就可得各種彩色的畫面。傳統(tǒng)的PDPs 所用的發(fā)光材料均沿用燈用發(fā)光材料，其效率低、穩(wěn)定性差、顏色不匹配等, 急需改進和研制新的發(fā)光材料，而稀土摻雜氟化物納米發(fā)光材料具有效率高、穩(wěn)定性好、色純度高等特點。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- 本文采用水熱法合成LaF3:Eu3+光電熒光納米微粒，合成方法簡單，設(shè)備要求不高，不同于微波法、燃燒法、噴霧熱解法等對設(shè)備和反應(yīng)條件的苛刻要求，克服常規(guī)方法產(chǎn)品的粒度不均勻，色純度不高等缺點。本文采用簡單的水熱法能合成具有良好熒光性能且粒度均勻、色純度高、穩(wěn)定性好、發(fā)光效率強的LaF3:Eu3+紅色熒光納米材料。整個制備工藝簡單、操作方便。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 水熱產(chǎn)品LaF3:Eu3+紅色熒光粉的粒度均勻、色純度高、穩(wěn)定性好、發(fā)光效率強，可應(yīng)用PDP和LED用的熒光材料;所得的液相制備工藝和技術(shù)為LaF3:Eu3+紅色熒光材料在光電子工業(yè)和生物技術(shù)方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)和實驗數(shù)據(jù)。同時對其它無機熒光材料的水熱合成提供借鑒。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 近幾年，稀土氟化物已成研究熱點，而稀土摻雜的氟化鑭具有特殊的光學(xué)性能，并廣泛應(yīng)用于平板顯示器、場發(fā)射和固體激光器等領(lǐng)域。本研究采一種簡單的低溫水熱法制備了LaF3:Eu3+紅色熒光粉, 通過X射線粉末衍射(XRD) 、高分辨透射電鏡（HRTEM）、掃描電子顯微鏡(SEM)、紫外漫反射光譜（UV-vis）、 紅外光譜儀(IR)和熒光光譜(FL)等技術(shù)表征了樣品，并探討了溶液的pH、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度，Eu3+摻雜濃度，氟源種類對產(chǎn)品熒光性能的影響。測試結(jié)果表明，LaF3:Eu3+樣品具有良好的結(jié)晶度，屬于六方相晶體結(jié)構(gòu)，其晶粒尺寸在12-50 nm內(nèi)。熒光結(jié)果表明，LaF3:Eu3+納米晶在397nm(7F0 →5L6 )光源激發(fā)下表現(xiàn)出良好的橙紅色發(fā)射（592 nm，5D0→7F1）。當(dāng)Eu3+離子摻雜摩爾濃度為10 %時，樣品的熒光強度達到最大值，但煅燒后的樣品表現(xiàn)出較強的紅光發(fā)射（619 nm，5D0→7F2）。更高的Eu摻雜濃度會引起熒光猝滅。
獲獎情況
- 無
鑒定結(jié)果
- 暫無
參考文獻
- [1] 張希艷，盧利平.稀土發(fā)光材料[M].北京.國防工業(yè)出版社.2005.3. [2] 江祖成，蔡汝秀，張華山。稀土元素分析化學(xué)[M] . 北京:科學(xué)出版社,2000. [3] 吳大雄。納米LaF3的制備及熱穩(wěn)定性、導(dǎo)電性能研究[D]博士學(xué)位論文 江蘇浙江 浙江大學(xué) [4] 張茂峰, 孟建新,劉應(yīng)亮,等. LaF3∶Eu3 + 納米粒子的水熱法制備及發(fā)光性質(zhì)研究[J] 中國稀土學(xué)報 2005 . 第23卷第5期 [5] Zhang Zefu, Yu Laigui, Liu Weimin, et al. The effect of LaF3 nanocluster modified with succinimide on the lubricating perfor-mance of liquid paraffin for steel-on-steel system [J]. Tribology In-ternational, 2001, 34: 83. [6] Zhuchkov B S, Tolstoy V E, Murin I N. Synthesis of ScF3, LaF3nanolayers and nLaF3-mScF3 multinanolayers at the surface of silicon by successive ionic layer deposition method [J]. Solid StateIonics, 1997, 101-103: 165. [7] MILLS G,ZONGGUAN L, MEISEL D. Synthesis, structure, and properties of organic-inorganic perovskite and related materials[J]. Phys Chem, 1988, 92: 822?826. [8]韓榮羅，朱成良，汪新顏，等. 六角狀SmF_3:Eu~(3+)納米晶體的制備與表征[J] 浙江理工大學(xué)學(xué)報 [9] 劉桂霞,蘇瑞相,王進賢,等.棒狀LaF3:Eu3+納米晶的制備與發(fā)光性能 [J]高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報
同類課題研究水平概述
- 近年來對以LaF3為基質(zhì)材料摻雜稀土離子的熒光材料引起人們的高度關(guān)注，原因是這種摻雜稀土離子的納米晶具有發(fā)光穩(wěn)定，半峰全寬窄,斯托克斯位移大,材料本身生物毒性低等特點。并且LaF3具有較低的聲子能量, 高的熱穩(wěn)定性和環(huán)境穩(wěn)定性，并對所有的稀土離子都有很強的溶解性, 使得LaF3 成為很好的固體電解質(zhì)、電極材料、優(yōu)良的光學(xué)基質(zhì)材料。正應(yīng)如此，國內(nèi)外已有不少學(xué)者從事這一方面的研究，并且從不同方向?qū)Υ俗龀隽搜芯俊? 付艷鵬，李敏等采用化學(xué)共沉淀法制備了殼聚糖/LaF3:Eu3+納米復(fù)合粒子，其表面包覆的殼聚糖使其易溶于水,并具備了與生物蛋白偶聯(lián)的多個基團，這從生物特性方面研究了該納米晶。碩士生崔天蜂通過添加不同的高分子電解質(zhì)（如PSS、PDDA、PAH、Dextran）對納米晶LaF3:Eu3+的結(jié)構(gòu)的影響做出了相關(guān)的研究，通過添加高分子電解質(zhì)使得納米晶LaF3:Eu3+熒光強度增強的800到1000倍。張茂峰, 孟建新, 劉應(yīng)亮等對納米LaF3:Eu3+的反應(yīng)條件對其熒光性能的影響作出了初步探討。秦炎福 姜廣智, 何恩節(jié), 官邦貴等對LaF3:Eu3+納米晶體-液體懸浮系統(tǒng)中熒光弛豫的局域場效應(yīng)，從納米晶的結(jié)構(gòu)和量子電動力學(xué)理論研究了納米晶的熒光衰減的原因。對于納米LaF3:Eu3+的應(yīng)用方面，在工業(yè)、航空、電子、生物和醫(yī)藥等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 本文深入探討了水熱制備LaF3:Eu3+納米晶的合成條件，研究了體系pH、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、摻雜濃度、不同氟源對材料熒光特性的影響，迄今未見相關(guān)文獻報道。因此，合成具有發(fā)光性能穩(wěn)定而優(yōu)越的納米級的紅色熒光材料，優(yōu)化LaF3:Eu3+納米晶的性能，為實現(xiàn)該類熒光材料在顯示器與熒光探針方面的應(yīng)用提供實驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。
