纳米级稀土掺杂钇铝石榴石的合成、表征及发光特性研究

摘要

纳米材料在基础科学研究和各种潜在技术的应用中非常重要，有着许多同类材料所不具备的新颖的光，磁和热性能，因此吸引了研究者们的极大兴趣。 人工合成的晶体材料钇铝石榴石Y3Al5O12（YAG），具有立方石榴石结构，是一种有着良好光学和力学性能的先进陶瓷材料。通过向有着十二面体结构的YAG中掺杂少量杂质离子的方法，可以获得不同的发光性能。然而在传统的YAG固态反应制备过程中，通常需要高于1600度的温度和长时间的球磨，会导致晶粒出现许多杂相和缺陷，并最终降低了这类荧光粉的亮度。 在本论文中，为改进YAG的发光性能，通过采用不同的湿化学方法，如溶胶凝胶法、沉淀法和溶液燃烧法，合成了YAG和掺有Ce、Tb、Eu的YAG，并研究了它们的光致发光（PL）等性能。本论文的主要研究成果如下： 1）采用沉淀法制备了YAG：Ce纳米单晶颗粒。该颗粒的晶化温度约为800℃，提高退火温度和减少Ce的掺杂浓度会加强晶化程度。晶粒大小介于40-100 nm间。PL峰值强度也随着退火温度的增加而增加。增加Ce3+的掺杂浓度，会降低PL峰值强度，且在晶体场的作用下向蓝光方向偏移。 2）通过溶液燃烧法得到晶粒尺寸小且相纯度高的YAG：Tb纳米颗粒。该方法在900℃的低退火温度下，得到的品粒大小约为30-100nm。通过YAG：Tb纳米颗粒的发射光谱，研究了YAG中的Tb3+离子特性。 3）利用溶胶凝胶法，在不同掺杂浓度，不同退火温度下获得系列YAG：Eu纳米颗粒。结果表明，1000℃下得到的晶粒，结晶好且没有杂相，其粒径介于23-29nm间。随着退火温度的升高，其发射光谱的强度也一致增强。Eu3+浓度的增加也使得发射光谱的峰值向短波方向移动。 4）使用溶胶凝胶技术合成YAG：Ce单晶纳米颗粒。利用柠檬酸（citric acid）和乙二醇（ethylene glycol，EG）的混合表面剂和对应稀土和铝的硝酸盐的反应形成YAG的反应前驱体。得到了晶粒大约为20-60hm的纳米荧光颗粒。研究结果表明，YAG：Ce荧光颗粒的发光强度受Ce掺杂浓度强烈影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

Preface

1 Motivation

2 Statement of project objectives

3 Thesis outline

Chapter one Background

1.1 Nanometer scale and nanomaterials

1.2 Nanoscience and nanotechnology

1.3 Nanoparticles

1.4 Ceramic materials and their properties

1.5 Basic concepts of photoluminescence

1.6 Yttrium Aluminum Garnet (YAG)

1.6.1 Ce-activated YAG

1.6.2 Tb-activated YAG

1.6.3 Eu-activated YAG

1.7 References

Chapter two Techniques used for samples characterization

2.1 Introduction

2.2 X-ray diffraction (XRD)

2.3 Scanning electron microscopy (SEM)

2.3.1 Energy dispersive x-ray (EDX)

2.4 Transmission electron microscopy (TEM)

2.4.1 Selected area electron diffraction (SAED)

2.5 Photoluminescence (PL) spectroscopy

2.6 References

Chapter three YAG:Ce3+ nauo-sized particles prepared by precipitation technique

3.1 Introduction

3.2 Experimental

3.2.1 Synthesis of YAG:Ce by precipitation method

3.2.2 Characterization

3.3 Results and discussion

3.3.1 Crystal structure of the product

3.3.2 PL property of YAG:Ce

3.4 Conclusion

3.5 References

Chapter four Solution combustion synthesis of Tb3+-doped Y3Al5O12 nanoparticles

4.1 Introduction

4.2 Experimental procedures

4.2.1Materials and powder synthesis

4.2.2 Powder characterization

4.3. Results and discussion

4.3.1 Formation process of crystalline YAG:Tb3+ nanoparticles

4.3.2 Photoluminescence properties of YAG:Tb nanoparticles obtained

4.4 Conclusion

4.5 References

Chapter five Synthesis and characterization of single crystalline YAG:Eu nano-sized powder by sol-gel method

5.1 Introduction

5.2 Sample preparation and characterization

5.3 Results and discussion

5.4 Conclusion

5.5 References:

Chapter six Sol-gel preparation and photoluminescence properties of Ce3+- activated Y3Al5O12 nano-sized powders

6.1 Introduction

6.2 Experimental

6.2.1 Materials

6.2.2 Samples synthesis

6.2.3 Samples characterization

6.3 Results and discussion

6.3.1 Crystal structure

6.3.2 Photoluminescence property of YAG:Ce

6.4 Conclusion

6.5 References

Chapter seven Summary of the conclusions and suggestions for future works

7.1 Summary of the conclusions

7.2 Suggestions for future works

Publications

Acknowledgements