铕、镝离子掺杂的特殊形貌Gd2O3基稀土发光材料的制备及性质研究

摘要

特殊形貌的稀土发光材料，其形貌、尺寸及微观结构对其性质和应用都具有重要的影响，因而，特殊形貌的稀土发光材料（如纳米线、纳米棒及具有自组装特性的结构材料）的合成及其性能的表征对于新型无机功能材料的基础和应用研究具有重要的意义，因此得到广泛的关注。
　　Gd2O3是一种重要且容易获取的稀土氧化物，具有优异的物理化学稳定性，且容易掺入稀土离子，因此，Gd2O3作为基质被广泛应用于稀土发光材料。本文分别采用水热法和均相沉淀法合成特殊形貌Gd2O3:Eu3+红色发光粉和Gd2O3:Dy3+黄色发光粉，并通过热分析仪、红外光谱、X射线粉末衍射、扫描电子显微镜及荧光分光光度计等对产物的形成过程、物相结构、微观形貌及发光性能进行了分析和表征，得出以下结论：
　　(1)研究了沉淀剂种类（氨水、碳酸氢铵）对水热合成Gd2O3:Eu3+荧光粉结构、形貌及性能的影响。结果表明：以氨水和碳酸氢铵为沉淀剂经水热过程所得的前躯体分别为氢氧化钆和水合碳酸钆，其分解历程都分为三步，前躯体经800℃下焙烧2h均得到了纯立方相的Gd2O3:Eu3+。以氨水为沉淀剂所得样品尺寸均一，呈长径比较小的短棒状；以碳酸氢铵为沉淀剂所得样品呈长径比较大的细条状。所得Gd2O3:Eu3+主发射峰位置均在613nm，呈红光发射，以碳酸氢铵为沉淀剂所得样品的发光强度相对较大；激发光谱中主激发峰位于261nm左右，对应于Eu-O的电荷迁移跃迁。
　　(2)研究了系列表面活性剂：聚乙二醇-1000（PEG-1000）、十二烷基磺酸钠(DSASS)、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、乙二醇（EG）对水热合成Gd2O3:Eu3+荧光粉结构、形貌及性能的影响。结果表明：采用不同的表面活性剂所得前驱物经800℃下焙烧均得到了纯立方相的Gd2O3:Eu3+微晶，颗粒基本呈棒状，分散性较好，但长径比不同。以PEG-1000为表面活性剂所得样品尺寸不均一，尺寸分布范围较宽；以DSASS、CTAB、EG为表面活性剂所得样品直径较小、长度较短，且尺寸分布范围较窄。棒状Gd2O3:Eu3+微晶主发射峰位置均在613nm，属于5D0→7F2跃迁，呈红光发射；激发光谱中电荷迁移态发生了红移，主激发峰位于261nm。表面活性剂种类对发射峰和激发峰强度影响较大，由强到弱的顺序为：PEG-1000>DSASS>CTAB>EG。
　　(3)研究了表面活性剂（PEG-1000）用量对水热法合成Gd2O3:Eu3+荧光粉结构、形貌及性能的影响。结果表明：聚乙二醇-1000添加量对样品的物相结构没有影响，均得到立方相Gd2O3:Eu3+；对颗粒形貌影响不大，均为针状结构，但对粒子的分散性、尺寸影响较大，随着加入量的增加，粒子的分散性变好，尺寸变小。Gd2O3:Eu3+的最强发射峰位均位于613nm，发射光谱谱峰形状和位置基本相同，强度略有差异。激发光谱均由Eu3+的电荷迁移态(CTB)，Gd3+的f-f跃迁以及Eu3+的f-f高能级跃迁三部分组成，主激发峰位于261nm左右。
　　(4)以氢氧化钠为沉淀剂，采用水热方法制备了Gd2O3:Dy3+纳米棒。研究结果表明：水热前驱体为六方相氢氧化钆(镝)，经900℃焙烧得立方相的Gd2O3:Dy3+。所得Gd2O3:Dy3+为直径约100nm，长度约500nm-1μm的纳米棒。其激发光谱由一系列激发峰组成，峰值分别位于239nm、279nm、314nm、353nm，最强峰位于279nm处；发射光谱主要由两部分组成，分别为460nm-500nm的蓝光和560nm-590nm的黄绿光发射峰（带），均属于Dy3+的特征发射，且后者的强度远高于前者，因此，在紫外光激发下呈黄光发射。
　　(5)以尿素为沉淀剂，采用水热方法制备了Gd2O3:Dy3+针状黄色发光粉。研究结果表明：水热前驱体为碱式碳酸钆，经900℃焙烧后得到纯立方相的Gd2O3:Dy3+。其微观形貌为针状结构，直径约为500nm-1.3μm，长度约为10-200μm。Dy3+的掺杂浓度对Gd2O3:Dy3+的发光强度有着重要的影响，发光强度随着Dy3+掺杂量的增加呈现先增大后减小的趋势，掺杂浓度为0.8％时发光强度最大，其浓度猝灭主要是由于电偶极-电偶极相互作用所致。
　　(6)以尿素为沉淀剂，采用均相沉淀方法制备了球状Gd2O3:Dy3+。研究结果表明：水热前驱体为水合碳酸钆(镝)，经900℃焙烧得立方相的Gd2O3:Dy3+。样品均为类球状，前躯体Gd2(CO3)3·ⅹH2O直径约410nm，经焙烧后所得Gd2O3:Dy3+直径约300nm。在279nm激发下，样品的主发射峰位于573nm，呈黄光发射。

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第 1 章 前 言

1.1 概述

1.2 Gd2O3 基质稀土发光材料

1.3 特殊形貌稀土发光材料

1.4 稀土发光材料的主要表征手段

1.5 研究课题的提出及目的意义

1.6 主要研究内容及创新点

第 2 章 特殊形貌 Gd2O3:Eu3+的水热制备与性能研究

2.1 前言

2.2 实 验

2.3 结果与讨论

第 3 章 特殊形貌 Gd2O3:Dy3+的水热法制备与性能研究

3.1 前言

3.2 实验

3.3 结果与讨论

第 4 章 球状 Gd2O3:Dy3+均相沉淀法制备与性能研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 结论

第 5 章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的科研成果