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铕、铽离子掺杂的核—壳结构发光材料的制备及发光性能研究

李光植  
【摘要】: 稀土材料具有独特的光、声、电、磁学性质,将其纳米化后性能更加优越。随着纳米材料逐渐向纳米复合材料的发展,使稀土纳米材料的复合成为目前材料科学研究的热点。通过复合,可以按照人们自己的意愿控制合成一些新的具有特定形貌和大小的纳米结构材料和功能材料。 本论文针对稀土发光材料,通过表面包覆的方法合成核-壳结构的稀土纳米复合发光材料,解决了直接合成球形稀土纳米发光材料的难题。同时采用成本低,容易制备的无机SiO_2球作为核芯材料,既节省了稀土元素用量,又降低了成本,对节省我国宝贵的稀土资源具有重要意义。 本论文首次利用Pechini溶胶-凝胶法合成了一系列具有核-壳结构和优良发光性能的稀土离子(Eu~(3+),Tb~(3+))掺杂的发光材料,即(1)氧化物体系: SiO_2@Gd2O3:Eu~(3+);(2)钛酸盐体系:SiO_2@Gd2Ti2O7:Eu~(3+) ;(3)钒酸盐体系:SiO_2@GdVO4:Eu~(3+) ;(4)钼酸盐体系:SiO_2@Gd2MoO6:Eu~(3+)和SiO_2@CaMoO4:Tb~(3+)。溶胶-凝胶法与其他常规的方法相比有着很大的优势,如工艺简单,易于操作,不需要复杂的设备,利用廉价的无毒的无机盐作为前驱体,大大降低了反应温度,很容易得到非团聚的均相的单分散的产物。本论文研究了稀土离子Eu~(3+),Tb~(3+)在这些发光材料中的光致发光(PL)、阴极射线发光(CL)以及能量传递性质。 本论文主要围绕稀土核壳发光材料展开,较系统的研究了核-壳结构发光材料的制备工艺和及其发光性能。同时我们还通过控制溶液浓度、包覆的时间、烧结温度、发光层厚度、共掺离子等条件,摸索出最佳的包覆条件,从而得到透明性、色纯度、发光强度等性能优良的核-壳结构发光材料。制备的壳层致密均匀,光滑、无开裂,厚度可以控制在50-70 nm。由此可见溶胶-凝胶法是一种非常理想的制备核壳发光材料的方法。在所制备的这些发光材料的激发光谱中,都可以观察到基质吸收带(在Eu~(3+)在的情况下,还可以看到Eu~(3+)-O2-电荷迁移带),如Gd2O3的基质吸收带位于215-240 nm,Gd2Ti2O7的位于250-350 nm,GdVO4的位于200-350 nm,Gd2MoO6的位于200-380 nm, CaMoO4的位于200-350 nm。激发这些基质吸收带,可以观察到稀土离子的特征跃迁,即Eu~(3+) [5D0, 1-7FJ (J=0, 1, 2, 3, 4)], Tb~(3+) [5D4-7FJ (J=3, 4, 5, 6)],这说明本论文中所涉及到的几种基质都可以向掺杂的稀土离子发生能量传递。 在所研究的这些发光材料中,核-壳粒子均保持着单分散的球形形貌,亚微米尺寸,狭窄的大小分布。稀土离子的寿命和PL,CL发光强度均随着烧结温度的升高及包覆层数的增加而逐渐增大。在SiO_2@Gd2MoO6:Eu~(3+),SiO_2@GdVO4:Eu~(3+),SiO_2@Gd2O3:Eu~(3+)体系中Eu~(3+)位于基质中没有反演对称中心的格位,以红光发射5D0-7F2的电偶极跃迁为主。在SiO_2@Gd2Ti2O7:Eu~(3+)体系中烧结温度在600-800 oC时以5D0-7F2的电偶极跃迁为主,而1000 oC时Eu~(3+)位于基质中有反演对称中心的格位,以橙光发射5D0-7F1的磁偶极跃迁为主。SiO_2@Gd2Ti2O7:Eu~(3+)体系是本论文中唯一采用醇盐水解的溶胶-凝胶法制备的发光材料。通过研究发现这种烧绿石构型的发光层1000 oC结晶完全,大大低于传统固相法的结晶温度。所制备的SiO_2@GdVO4:Eu~(3+),SiO_2@CaMoO4:Tb~(3+)核-壳粒子发光材料在低级阴极射线激发下都可以发光,因而在场发射领域有着潜在的应用价值。


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