稀土掺杂发光材料溶胶-凝胶法制备与发光性能研究

摘要

本论文简述了发光材料相关理论,介绍了稀土掺杂材料的发光性质,综述此类材料的主要种类、特点与研究现状,概括了近年来稀土掺杂发光材料的常用制备方法的进展和面临的问题,在此基础上应用溶胶.凝胶技术在较低温度下合成制备了BaMg2Si2O7:Eu2+,Mn2+红光荧光粉、CaYAl3O7:Ce3+,Tb3+蓝绿色荧光粉和Y2O3:Er3+,Yb3+上转换发光材料。应用热分析(DTA-TG)、X-射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)与光致发光光谱(PL)等测试手段,研究了合成条件和掺杂浓度等对发光材料物相,微观形貌及发光性能的影响。
　　 采用溶胶凝胶工艺制备了BaMg2Si2O7:Eu2+,Mn2+红光荧光粉,XRD结果表明,稀土离子的掺杂有利于纯相态BaMg2Si2O7晶体的形成;通过Eu2+向Mn2+的传能,在Eu2+的350nm激发波段,可获得发射峰位于670nm处的红色发光,对应Mn2+离子4Tl(4G)→6Al(6S)能级跃迁;随着热处理温度的升高,Mn2+离子发光强度先增强后减弱。
　　 采用柠檬酸溶胶-凝胶法研究制备了CaYAl3O7:Ce3+,Tb3+蓝绿色荧光粉。CaYAl3O7:Ce3+,Tb3+荧光粉激发光谱为中心峰位位于360nm左右的宽带谱,可被近紫外LED芯片被有效激发;在360nm单一波长激发下,CaYAl3O7:Ce3+,Tb3+荧光粉可获得由415nm处Ce3+的宽带发射峰与495nm、544nm、591am、622nm处Tb3+特征发光峰组成的蓝绿色发光。由于CaYAl3O7:Ce3+,Tb3+荧光粉存在有效的Ce3+→Tb3+离子能量传递,导致Tb3+离子的发光强度显著增强;Ce3+,Tb3+稀土离子的掺杂可促进CaYAl3O7基质物相的形成,在900℃较低煅烧温度下即可获得CaYAl3O7晶相,颗粒较小且物相纯净;还原气氛下900℃煅烧6小时Ca0.78YAl3O7:0.03 Ce3+,0.19 Tb3+荧光粉具有最大发光强度。
　　 制备了Y2O3:Er3+和Y2O3:Er3+,Yb3+上转换发光材料,讨论了柠檬酸溶胶-凝胶体系制备Y2O3的合成原理;以Yb3+作敏化剂,通过能量传递可实现在980nm激发下Er3+在可见光范围内较强的上转换发光;单掺Er3+的上转换绿光与红光均为三光子过程,而双掺Er3+和Yb3+体系上转换绿光与红光均为双光子过程。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 固体材料发光简介

1.2.1 固体发光基本原理

1.2.2 发光材料性能表征

1.3 稀土掺杂发光材料发光理论

1.3.1 稀土元素与稀土离子

1.3.2 稀土离子能级结构与发光特性

1.3.3 稀土离子间的能量传递

1.4 稀土掺杂发光材料合成方法研究进展

1.4.1 高温固相反应法

1.4.2 化学共沉淀法

1.4.3 水(溶剂)热法

1.4.4 喷雾热解法

1.4.5 自蔓延高温合成法

1.4.6 溶胶-凝胶法

1.5 研究目标与研究内容

1.5.1 研究目标

1.5.2 本文研究内容

第二章 实验方法

2.1 实验原料与实验设备

2.2 样品制备

2.2.1 溶胶-凝胶法制备BaMg2Si2O7:Eu2+,Mn2+荧光粉

2.2.2 柠檬酸溶胶-凝胶法制备荧光粉

2.3 样品表征

2.3.1 热分析(DTA-TG)

2.3.2 X射线衍射(XRD)

2.3.3 扫描电子显微镜(SEM)

2.3.4 光致发光光谱(PL)

第三章 BaMg2Si2O7:Eu2+,Mn2+发光材料的合成及发光性能研究

3.1 引言

3.2 BaMg2Si2O7:Eu2+,Mn2+荧光粉制备

3.3 凝胶体系形成过程分析

3.4 BaMg2Si2O7:Eu2+,Mn2+荧光粉形成过程,晶体结构与微观形貌

3.4.1 DTA-TG分析

3.4.2 XRD物相分析与微观形貌

3.4.3 BaMg2Si2O7:Eu2+,Mn2+荧光粉发光性质

3.5 本章小结

第四章 CaYAl3O7:Ce3+,Tb3+发光材料制备及发光性能研究

4.1 引言

4.2 CaYAl3O7:Ce3+,Tb3+发光材料制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 CaYAl3O7:Ce3+,Tb3+荧光粉晶体结构与发光性质

4.3.2 煅烧温度对CaYAl3O7:Ce3+,Tb3+荧光粉晶体结构与发光性质影响

4.3.3 煅烧气氛对CaYAl3O7:Ce3+,Tb3+荧光粉发光性质的影响

4.3.4 掺杂方式对CaYAl3O7:Ce3+,Tb3+荧光粉发光性质的影响

4.3.5 煅烧时间对CaYAl3O7:Ce3+,Tb3+荧光粉晶体结构与发光性质的影响

4.3.6 CaYAl3O7:Ce3+,Tb3+荧光粉中Ce3+与Tb3+离子之间的能量传递

4.4 本章小结

第五章 Y2O3:Yb3+,Er3+上转换发光材料制备与发光性能研究

5.1 引言

5.2 Y2O3:Er3+,Yb3+上转换发光材料的制备

5.3 柠檬酸溶胶-凝胶制备Y2O3:Er3+,Yb3+反应机理分析

5.3.1 热分析

5.3.2 红外吸收光谱与x射线衍射谱

5.4 上转换发光材料的微观结构

5.4.1 煅烧温度对Y2O3:Er3+,Yb3+微观结构的影响

5.4.2 稀土离子掺杂浓度对Y2O3:Er3+,Yb3+物相影响

5.5 Y2O3:Er3+上转换发光材料的发光性质

5.5.1 煅烧温度对Y2O3:Er3+上转换发光性质的影响

5.5.2 Er3+离子掺浓度对Y2O3:Er3+上转换发光性质的影响

5.5.3 Y2O3:Er3+上转换发光机理

5.6 Y2O3:Er3+,Yb3+上转换发光材料的发光性质

5.6.1 Er3+,Yb3+共掺对Y2O3:Er3+,Yb3+上转换发光性质的影响

5.6.2 煅烧温度对Y2O3:Er3+,Yb3+上转换发光性质的影响

5.6.3 掺杂浓度对Y2O3:Er3+,Yb3+上转换发光性质的影响

5.6.4 Y2O3:Er3+,Yb3+上转换发光机理

5.7 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文