锰掺杂氧化锌和硫化锌转光剂及光转换薄膜的制备与性能

摘要

光转换薄膜一般分为两种，分别是红色增光膜和蓝光增光膜。红色增光膜能起到增加有效光、提高棚温的目的；蓝光增光膜不仅能增加有效光通量、提高大棚温度，而且还能够抑制病原菌的繁殖，因此，这两种增光膜在农业上有广阔的应用空间。光转换薄膜的制备方法主要有三种，分别是附染法、母料法和三层共挤法。
　　 截至目前，人们所研究的转光膜大都是稀土配合物转光膜，有些已经应用到了实际生产中。但是，由于稀土元素价格昂贵、薄膜的制备工艺和设备比较复杂，限制了它的广泛应用。因此，制备工艺简单、价格低廉、性能优良的转光膜已成为农业以及生物培养所迫切需要研究的一个课题，其结果必将推动农业科技的发展，为新型农业的发展提供更充足的条件。
　　 转光剂在光转换薄膜中起着举足轻重的作用，只有制备出性能优良的转光剂，才能为光转换薄膜的制备提供条件。转光剂的制备方法有很多，例如溶胶-凝胶法、水热法、溶剂热法、微乳法、化学气相沉积法、喷雾热分解和固相法等。
　　 本文中选用溶胶-凝胶法和溶剂热法制备了两种转光粉体。其中，利用溶胶-凝胶法制备不同Mn掺杂浓度的ZnO：Mn转光粉；通过溶剂热法制备不同Mn掺杂浓度的ZnS：Mn转光粉。本文首先对两种转光粉体的形貌、组成以及转光性能进行研究。然后，对转光粉进行表面改性。最后，将ZnO：Mn转光剂与聚乙烯(PE)共混，ZnS：Mn转光剂与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混，分别制备出两种光转换薄膜。
　　 研究发现：(1)本文所制备的ZnO：Mn粉体粒径分布比较均匀、表面光滑，为六方纤锌矿结构。随着锰的配制浓度的增大，ZnO：Mn的颗粒粒径减小，而且晶粒出现择优取向生长，呈现长条形貌。通过对转光剂荧光性能的测试发现，纯氧化锌的发光峰位于500～600 nm；掺杂锰离子以后，分别在500 nm和620nm左右出现两个发光峰，并且当锰的初始浓度为3％时，ZnO：Mn的发光性能最好。(2)所制备的ZnS：Mn颗粒为立方闪锌矿结构的硫化锌多晶体，呈规则的球形，颗粒尺寸较均匀，随着锰离子初始浓度的增加，出现颗粒细化的现象。对ZnS：Mn颗粒进行荧光测试发现，锰离子的掺入使硫化锌的发光峰红移。(3)通过对改性ZnO：Mn转光剂/低密度聚乙烯复合薄膜的紫外透射图谱分析发现，ZnO：Mn的混入对聚乙烯薄膜的透光率没有太大影响。(4)通过对改性ZnS：Mn转光剂/PMMA复合薄膜的荧光图谱分析发现，纯PMMA薄膜没有发光峰，掺入转光剂后出现了发光峰，并且随着锰的初始浓度的增加，560～590 nm处的发光峰出现了红移现象，得到了预期的光转换效果。