铒及铒-镱掺杂钇铝石榴石发光材料的制备及表征

摘要

铒（Er3+）掺杂及铒-镱（Er3+-Yb3+）共掺钇铝石榴石（YAG）在照明、探测与激光领域都具有广泛的应用价值。纳米粒径、规则形貌及良好的分散性对进一步提高YAG粉体的性能及后期加工都具有至关重要的作用。到目前为止，制备具有规则形貌的纳米级YAG还鲜见报道。本论文旨在采用一系列湿化学法制备粒径可控、分散性好且具有球形形貌的YAG：Er3+粉体，以满足其应用于生物示踪与激光陶瓷的需要。
　　 本论文首先利用燃烧法制备YAG：Er3+，YAG：Er3+，Yb3+纳米粉体，通过测试Er3+单掺及Er3+-Yb3+共掺时粉体的近红外（near-infrared）和上转换（upconversion）光谱及荧光寿命，研究了Er3+、Yb3+离子在YAG中的发光机理。研究表明，用980-nm LD激发试样，在室温下观察到强烈的近红外和红/绿上转换发射。当Er+离子浓度为0．04 at％，Yb3+离子浓度为0．08 at％时，该试样红/绿上转换发射强度最强。仅在Yb3+离子高掺杂浓度时才会观察到源于合协上转换的蓝光发射。但TEM结果表明，燃烧法制备YAG粉体颗粒形貌不一，分散性一般。为改善上述问题及改变表面性质，通过TEOS水解的方法成功在YAG表面上包覆了一层厚度可调的SiO2层。
　　 本论文还采用了Pechini型溶胶-凝胶法，通过调节初始溶液的pH值，研究其制备机理和所得的YAG：Er3+发光粉特性。结果表明，当初始溶液的pH值为3时，在同一煅烧温度下得到的粉体晶相纯度提高，发光强度较好。基于Pechini型溶胶-凝胶法在核壳材料制备方面的优越性，成功制备了以单分散SiO2为核，YAG：Er3+为壳的核-壳结构SiO2@YAG：Er3+发光粉。FESEM和TEM结果表明这种核-壳结构的发光材料表面致密，厚度均匀，既保持了单分散SiO2微球的形貌特征，又可通过反复包覆调控壳层厚度。在980-nm LD的激发下，SiO2@YAG：Er3+发光粉呈现出与纯相YAG：Er3+发光粉相似的发光特性。
　　 本论文最后探讨了以共沉淀法制备核壳材料的可能性，同样采用单分散的SiO2为核，研究不同的尿素沉淀剂浓度下制备SiO2@YAG：Er3+发光粉。研究结果显示，当尿素与金属离子的量比为10：1时，能得到粒径为150 nm，壳层25 nm的SiO2@YAG：Er3+发光粉，表明共沉淀方法也是制备核-壳结构材料的理想方法之一。
　　 通过对比这一系列湿化学法对单分散球形YAG：Er3+发光粉制备的影响，Pechini型溶胶-凝胶法的制备效果较好，且壳层厚度可通过多次包覆进行调节，而共沉淀法可以通过一次包覆得到单分散核壳结构SiO2@Y3Al5O12：Er3+粉体，其壳层表面较Pechini型溶胶-凝胶法制备的要粗糙。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 YAG的结构和基本性能

1.1.1 YAG的成分和结构

1.1.2 YAG的基本性能

1.1.3 YAG研究现状

1.1.4 YAG纳米晶制备中亟待解决的问题

1.2 核-壳结构材料

1.2.1 核-壳结构材料的研究现状

1.2.2 核-壳结构材料的技术发展

1.2.3 YAG核-壳结构材料的研究现状

1.3 本课题研究的主要意义与内容

1.3.1 主要意义

1.3.2 主要内容

1.4 本课题研究的项目来源

第二章 实验方法、原理及检测手段

2.1 实验原料

2.2 样品检测与表征

2.2.1 X-射线衍射分析(X-ray Powder Diffraction，XRD)

2.2.2 傅里叶变换红外光谱分析(Fourier Transform IR Spectroscopy,FT-IR)

2.2.3 扫描电镜分析(Scanning Electron Microscopy，SEM)

2.2.4 透射电镜分析(Transmission Electron Microscopy，TEM)

2.2.5 Zeta电位测试(Zeta Potential Measurment)

2.2.6 荧光光谱测试(Photoluminescence，PL)

第三章 燃烧法制备Er3+-Yb3+共掺YAG及其SiO2包覆

3.1 前言

3.2 实验

3.2.1 燃烧法制备YAG：Er3+，Yb3+纳米粉体

3.2.2 YAG：Er3+纳米粉体的SiO2包覆

3.3 YAG：Er33+Yb3+纳米粉体的性能

3.3.1 结构与形貌特性

3.3.2 近红外光谱特性

3.3.3 上转换光谱特性

3.3.4 Er3+/Yb3+离子浓度的影响

3.4 YAG：Er3+@SiO2纳米粉体的性能

3.4.1 结构与形貌特性

3.4.2 光谱特性

3.5 小结

第四章 Pechini型凝胶-溶胶法制备YAG：Er3+及SiO2@YAG：Er3+

4.1 前言

4.2 实验

4.2.1 Pechini型溶胶-凝胶法制备YAG：Er3+纳米粉体

4.2.2 Pechini型溶胶-凝胶法制备SiO2@YAG：Er3+核壳材料

4.3 YAG：Er3+纳米粉体的性能

4.3.1 结构与形貌特性

4.3.2 pH值的影响机理分析

4.3.3 光谱特性

4.4 SiO2@YAG：Er3+纳米粉体的性能

4.4.1 结构与形貌特性

4.4.2 光谱特性

4.5 小结

第五章 共沉淀法制备SiO2@YAG：Er3+

5.1 前言

5.2 实验

5.2.1 单分散SiO2微球的制备

5.2.2 SiO2@YAG：Er3+核壳材料的制备

5.3 结果与讨论

5.3.1 结构与形貌特性

5.3.2 合成机理探讨

5.3.3 光谱特性

5.4 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢