Eu掺杂硅酸盐.docx

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Eu掺杂硅酸盐

稀土掺杂硅酸盐的发光性能研究

摘要

本文采用高温固相法合成了硅酸盐系发光材CaSiO3:

Eu3+。

用荧光光谱分析仪HitachiF-4600测得了各样品的激发光谱和发射光谱。

实验主要通过三个方面研究了影响CaSiO3:

Eu3+发光性能的因素：

1.CaSiO3:

Eu3+灼烧温度的影响，灼烧温度分别为1100，1150，1175，1200，1250℃；2.激活剂Eu3+浓度的影响，Eu3+掺杂浓度x=1,3,5,7,9,11,13,15,20,30mol%；3.CaSiO3:

Eu3+灼烧保温时长的影响，保温时间为2,3,6,9,12h。

研究不同灼烧温度下CaSiO3:

Eu3+的发光性能，发现从1100℃-1175℃发光强度明显提高，灼烧温度高于1175℃，发光强度反而出现减弱。

研究发现激活剂Eu3+在一定浓度范围内（≤9mol%）掺杂，发光强度随浓度提高而增强，在9%-15mol%浓度范围内时，则随浓度增加发光强度会下降，当浓度大于15mol%，发光强度会有一定的提高。

研究发现保温时间从2h-12h的发光性能获得持续改善。

关键词:

高温固相法,CaSiO3:

Eu3+,红色发光,灼烧温度，掺杂浓度,保温时长

THESTUDYOFLUMINESCENCEPROPERTIESOFRAREEARTHDOPEDSILICATE

ABSTRACT

ThesynthesisofthesilicateluminescentmaterialCaSiO3:

Eu3+wasmadeinhigh-temperaturesolid-phasemethod.ThenwetestedthesamplesbythefluorescencespectrometerHitachiF-4600togetthemeasuredexcitationandemissionspectra.Experimentalstudies,mainlythroughthreeaspectsthataffectCaSiO3:

Eu3+luminescencefactors:

1）ignitiontemperature,theignitiontemperatureswere1150,1175,1200,1250℃;2）activatorconcentrationofEu3+,Eu3+dopingconcentrationx=1,3,5,7,9,11,13,15,20,30mol%;3）CaSiO3:

Eu3+durationofinsulation,thetimeis2,3,6,9,12h.

EffectsofdifferentignitiontemperaturesCaSiO3:

Eu3+luminescencepropertiesshowedfrom1150℃to1175℃luminousintensitysignificantlyimproved.Whenignitiontemperatureishigherthan1175℃,lightintensitygetsweakened.Itisfoundthatinacertainconcentrationrange（≤9mol%）luminescenceintensityincreasedwiththeEu3+concentrationisenhanced.Inthe9%-15mol%concentrationrange,thentheluminescenceintensitydecreaseswhenconcentrationincreases.Whentheconcentrationisgreaterthan15mol%,therewillbesomeincreaseluminousintensity.Studyfoundthattheluminescentpropertiesarekeptonimprovedwhentheholdingtimeform2hto12h.

KeyWords:

high-temperaturesolid-phasemethod,CaSiO3:

Eu3+,redlight,ignitiontemperature,dopingconcentration,thelengthofinsulation

目录

稀土掺杂硅酸盐的发光性能研究2

摘要2

ABSTRACT3

第一章绪论7

1.1引言7

1.2发光材料8

1.3材料的制备9

1.3.1高温固相法10

1.3.2溶胶凝胶法10

1.4.表征方式11

1.4.1X射线衍射11

1.4.2荧光光谱仪12

1.5研究现状和课题的提出14

第二章实验部分15

2.1实验物品15

2.2实验仪器15

2.3实验流程15

第三章实验结果与讨论17

3.1不同灼烧温度对CaSiO3:

Eu3+发光性能的影响17

3.2不同保温时间对CaSiO3:

Eu3+发光性能的影响18

3.3Eu3+浓度对CaSiO3:

Eu3+发光性能的影响20

第四章总结与展望25

1.1.总结25

1.2展望25

参考文献26

致谢29

第一章绪论

1.1引言

由于稀土元素具有内层的4f电子能级相近、外层的电子结构相同的电子层构型，所以含有稀土的化合物表现出了许多独特的物理和化学性质，在光学、电学与磁等领域得到广泛的应用，被人们誉为新材料的宝库[1]。

而在稀土的各种功能材料的研究与发展中，与稀土相关的发光材料格外的吸引人们的注意。

稀土元素常用作发光（荧光）材料的基质成分，或是被用作激活剂、共激活剂、敏化剂或掺杂剂时，这类材料一般统称为稀土发光材料或稀土荧光材料[2]。

稀土元素因为它们的独特电子层结构，所以有一般的化学元素无法比拟的特性。

除了镧与镥离子的4f层是全空或者全满以外,其它的稀土元素的4f层的电子可以在7个4f轨道中随意分布存在,因此产生了不同的能级。

能级的数量极大,导致能级跃迁的通道多达20多万个。

由于能级数目较多，稀土元素能够吸收或者发射从紫外光、可见光到红外光光区内的各种不同波长的电磁辐射，稀土的发光范围几乎涵盖了整个固体发光材料的发光范畴[3]。

随着稀土生产技术工艺的进步，和相关技术的进步，稀土发光材料的研究和应用将得到显著的发展。

在进入二十一世纪后，以能源为重要资源的时代，对稀土发光材和技术的研究必将进一步的得到更多的重视。

日本科技厅和美国国防部公布的多种高科技元素，其中就包括了16种稀土元素，分别占所有高科技元素的61.5％和45.7％。

稀土发光材料将会继续在平板显示、更先进的光纤通信、现代医疗电子设备、第四代新照明光源等高新技术领域占主导的地位。

同时系统发光材料的研究与发展也为各个应用领域的源头创新和可持续发展提供可靠的依据和保证[4]。

而世界上近30%的稀土都在我国境内，但是我国的稀土主要用于出口原料，进行深加工后再出口产品很少。

所以，充分综合利用我国稀土资源库，发展稀土发光（荧光）材料是将我国稀土资源优势转化为经济和技术优势的重要方式。

而稀土元素中的Eu3+具有4f6的电子组态,所以在许多的发光基质中都具良好的发光性能。

发生在内层的4f电子在不同能级之间的跃迁导致了稀土离子对光的吸收，这样产生的吸收光谱谱线很窄，特异性强，颜色鲜艳纯正[5]。

并且Eu3+的红色发光应用范围很广泛，如显示器、三基色荧光粉等，所以对Eu3+的发光性能的研究有很大的应用价值。

长期以来人们都很重视对硅酸盐荧光粉的研究和开发[6]。

因为硅酸盐为基质的发光材料有以下几个特点：

1）耐水性强、化学性质稳定、紫外辐照性稳定；2）扩展了材料的发光颜色的范围，尤其是蓝色的材料不仅仅应用的特性优异，而且余辉的亮度高、持续的时间久，为发光材料增加了新的选择。

而且作为制备的原料，高纯度的二氧化硅的价格低廉、容易获得，烧结的温度也比铝酸盐体系的材料低100℃以上。

在硅酸盐材料中，硅酸钙具有良好的化学稳定性和耐热性,并且原料来源广泛，价格低廉，因而它被作为一种发光材料基质得到了广泛的应用[7]。

近20年来,以CaSiO3为基质的发光材料也被陆续的开发出来，极大的拓展了的硅酸盐材料的研究和应用的领域。

其中Eu掺杂CaSiO3制备而成的发光材料因其性能稳定、发光性能好而且无毒环保成为了广受关注的红色发光材料。

比如Sytsma就研究过CaSiO3:

Eu3+的一些性质[8]。

1.2发光材料

发光材料[9]是指在不同类型的外界的能量的激发下而发光的物质。

依据激发能量的方式不同可以分成光致发光材料、阴极射线发光材料、电致发光材料、化学发光材料、X射线发光材料、放射性发光材料等种类。

发光材料在形态上具有多样化的特征，可以是粉末、单晶、非晶体或薄膜等形态。

发光材料的主要的组成部分是半导体材料与稀土元素的化合物，和有色金属的关系很密切。

光致发光[10]是发光材料受外界的光源照射后，吸收了光的能量，从而产生激发导致发光的现象。

紫外光辐射、可见光和红外光辐射都可以引起光致发光。

光致发光主要经过吸收、能量传递和光发射三个阶段。

光的吸收和发射都发生于能级之间的跃迁，都经过激发态。

发光材料从外界吸收光、高能粒子等能量后，处于基态的电子被激发到激发态，这个过程就叫做吸收。

能量传递则是激发态的运动。

当发光材料吸收了激发光的能量后，材料的内部就会发生能量状态的改变。

部分离子当发光受激发跃迁到较高的能级，晶体中会产生电子与空穴等。

产生的电子与空穴，它们的运动往往伴随着激发态的转移和能量的传输。

因此激发的状态不会局限在一个区域。

处于激发态的离子可以通过将能量传递给附近的离子重新回到基态，而接受能量的离子受激发到激发态。

这样的能量转移转移传递过程就是光致发光的能量传递过程。

当然能量的传递不会无止境的进行下去。

由于处于高能的激发态是不稳定的，受激发的离子都有回到基态的趋势。

而在回到基态时，如果将能量以光的形式发散出去就是发光，也称为发光跃迁或者辐射跃迁。

但是材料吸收能量后不是会在任何情况下都会发光的，只有当固体中存在发光中心时才可以有效发光[11,12]。

发光中心通常有缺陷或掺杂的化学元素构成。

发光中心吸收外界的能量后跃迁到激发态，在返回基态时释放能量发光。

在发光材料的研究中，人们一直在研究发光离子的掺入浓度对材料的发光性能造成的影响。

一般随着离子浓度的逐渐增大,发光体的发光强度是先增大然后开始逐渐降低,到一定浓度时发光消失。

这是因为这种激活离子浓度较大，中心间的距离小于临界距离，所以产生了级联能量传递，从一个中心传递到下一个中心，再到下一个中心（发生能量迁移）直到最后进入一个猝灭中心，导致了发光效率和强度都随减低。

这种现象被称为浓度猝灭[13]。

1.3材料的制备

由于稀土发光材料的发光是由激活离子的能级跃迁引起的，受外界晶场的影响较大，因此其发光性能不仅与化学组成有关，制备方法对材料发光性能也有很大影响。

为了获得性能优异的发光材料，近年来人们对发光材料的制备技术进行了广泛的研究.目前长余辉发光材料的合成方法主要有高温固相法[14]、化学共沉淀法[15]、溶胶凝胶法[16]、微波合成法、燃烧法[17]、水热（溶剂）合成法等。

1.3.1高温固相法

高温固相法是传统的制备发光材料的方法，运用的范围较广。

固相反应法制备发光材料大都以各种粉末状的物质作为初始原料，固体的颗粒会直接参与