稀土锆酸盐体系荧光粉的制备及发光性能研究

摘要

稀土离子特殊的4f电子在f-f组态之内及f-d组态之间的跃迁发射，可产生大量的辐射和荧光光谱信息。它们可以发射各类从紫外光、可见光到红外光区多种波长的电磁辐射。其发光特点具有:亮度高、色彩鲜艳、色纯度高、光吸收能力强、发射波长可调等优点。所以近几年来，稀土无机发光材料已成为照明、显示、光通讯及医学影像等诸多显示领域的支柱材料，研发制备高性能荧光粉已经成为新时期发光材料领域的重要课题。鉴于此，根据稀土材料的理化性质，本论文拟研究以锆酸盐为基质的稀土发光材料，通过水热法分别制备了Gd2Zr2O7、Y2Zr2O7荧光粉，掺杂激活离子(Eu3+，Tb3+)实现红、绿光发射，并讨论不同表面活性剂在改善荧光粉发光性能方面的作用。得到的主要结论如下:
　　1.采用水热法制备了Gd2Zr2O7∶Eu3+红色荧光粉，探索Eu3+的最优掺杂比例。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(FE-SEM)、荧光光谱(PL)等表征手段对荧光粉的物相组成、微观结构和发光性能进行分析。XRD谱图分析表明不同Eu3+掺杂浓度样品(Gd1-xEux)2Zr2O7的衍射峰基本一致，与标准物相卡片Gd2Zr2O7(JCPDS no.16-0799)相吻合并证实样品的微观结构为有序的烧绿石结构。由FE-SEM观察可知样品的微观结构为纳米棒，长度约为2000-3000nm，直径在300nm左右。PL分析表明，当Eu3+掺杂浓度达到4％时，样品在613nm(5D0→7F2)处的发光强度达到最大值，继续掺杂强度反而下降，出现了浓度猝灭现象。文章着重对其发光机理、影响发光性能的因素给予解释并提出进一步优化性能的方案;
　　2.采用水热法制备Gd2Zr2O7∶Tb3+绿色荧光粉，通过XRD、FE-SEM、TEM、PL等表征手段对实验结果进行分析。结果显示，Gd2Zr2O7∶Tb3+荧光粉的微观一维纳米棒直径约为30nm，长度在150-300nm范围内。PL测试结果表明，Tb3+展现出了较强的绿光发射性能，归属于Tb3+的5D4→7FJ(J=3-6)的电子跃迁发射，最强发射峰出现在545nm(5D4→7F5)处，当Tb3+掺杂浓度为5％时出现了明显的浓度猝灭，探讨了Tb3+之间的交叉驰豫对发光强度及光纯度的影响。本节采用高温固相法制备的对比样品(Gd0.95Tb0.05)2Zr2O7的微观形貌为不规则的多边形，尺寸不均匀，发光强度略高于水热法。
　　3.以Y2Zr2O7为基质材料，采用水热法制备Y2Zr2O7∶Tb3+绿色荧光粉。荧光光谱分析表明，(Y1-xTbx)2ZrO7荧光粉的最强发射峰归属于Tb3+的5D4→7F5电子跃迁(545nm)的强绿光发射，通过公式计算出发生浓度猝灭时Tb3+之间的距离并证实此时交叉驰豫是影响浓度猝灭的主要原因。FE-SEM证实，所制备的产物为空心纳米管状结构，内直径约为80～130nm，管壁厚度在30～70nm范围之间，长度在3～5μm之间，这种形貌规则性高、分散性好的纳米级荧光粉具有较好的应用前景;
　　4.在已知Y2Zr2O7∶Tb3+荧光粉中Tb3+的最优掺杂比例的前提下，依次添加有机添加剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)、非离子表面活性剂聚乙烯吡咯酮(PVP)、有机盐类乙二胺四乙酸二钠(EDTA)四种表面活性剂来提高荧光粉的发光强度。添加四种表面活性剂样品的微观颗粒为纳米棒结构。通过与无添加样品对比可知，表面活性剂可明显提高荧光粉的光吸收能力、量子效率、发光强度，其中掺杂有EDTA的荧光粉其发光强度是无表面活性剂添加样品的7倍，同时其微观纳米棒尺寸均匀、表面光滑，形貌规则性良好，具备高性能荧光粉的应用潜力。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 稀土发光材料的定义及分类

1．3 稀土发光材料的成分及发光机理

1．3．1 稀土发光材料的组成

1．3．2 稀土光致发光材料的原理及特性

1．3．3 稀土元素的电子层构型

1．3．4 稀土元素的光谱项及光谱性能

1．3．5 稀土发光材料的发光效率与发光强度

1．4 稀土锆酸盐的性质和晶体结构

1．4．1 稀土锆酸盐的性质

1．4．2 稀士锆酸盐的晶体结构

1．5 课题研究意义、目的与内容

1．5．1 课题研究的意义与目的

1．5．2 课题研究主要内容

第二章 实验及测试方法

2．1 实验原料

2．2 实验装置与仪器

2．3 实验方法

2．3．1 高温固相法

2．3．2 水热法

2．4 结构表征与发光性能测试

2．4．1 X射线衍射仪(XRD)

2．4．2 场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)

2．4．3 荧光光谱仪(PL)

第三章 Gd2Zr2O7：Eu3+红色荧光粉的制备及性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验过程

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 Gd2Zr2O7：Eu3+荧光粉的物相结构分析

3．3．2 Gd2Zr2O7：Eu3+荧光粉的表面形貌观察

3．3．3 Gd2Zr2O7：Eu3+荧光粉的荧光性能分析

3．4 本章小结

第四章 Gd2Zr2O7：Tb3+绿色荧光粉的制备与性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验过程

4．3 结果与讨论

4．3．1 Gd2Zr2O7：Tb3+的晶体结构分析

4．3．2 Gd2Zr2O7：Tb3+微观形貌分析

4．3．3 Tb3+的能级跃迁与发光性能分析

4．3．4 Gd2Zr2OT：Tb3+的荧光性能分析

4．4 本章小结

第五章 Y2Zr2O7：Tb3+绿色荧光粉的制备与性能研究

5．1 引言

5．2 实验操作

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 Y2Zr2O7：Tb3+荧光粉的XRD分析

5．3．2 Y2Zr2O7：Tb3+的形貌观察

5．3．3 Y2Zr2O7：Tb3+的荧光性能分析

5．4 本章小结

第六章 表面活性剂对Y2Zr2O7：Tb3+荧光粉发光性能的影响

6．1 引言

6．2 实验操作

6．3 结果与讨论

6．3．1 添加有不同表面活性剂样品的XRD分析

6．3．2 添加有不同表面活性剂样品的形貌观察

6．3．3 添加有不同表面活性剂样品的荧光性能分析

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

硕士期间学术成果

致谢