稀土掺杂上转换发光纳米材料的制备与表征研究

摘要

上转换发光纳米材料作为一种新型的发光纳米材料，因为其可以实现低能光子到高能光子的转换倍受关注。上转换材料的荧光具有反斯托克斯发光性质、荧光稳定性强、非闪烁、发光波段可调等特点，随着研究的不断拓展，其在建筑装饰领域中室内照明上的应用也逐渐成为可能。基于国内外的研究现状，本论文针对上转换纳米材料合成这一基础研究为研究对象，围绕宏量合成、连续注入合成、物理研磨表面修饰开展了以下工作：　　（1）为了解决上转换纳米材料产量小的问题，本文探究了上转换纳米颗粒的宏量合成。在扩大产量的情况下，探究了反应时间和不同前驱体对材料的粒径、晶型结构和荧光发射强度的影响。研究结果表明，使用稀土油酸盐作为前驱体，当反应时间达到120min后，可以得到粒径均一、荧光发射强度大的纯六方相NaYF4:Yb/Tm上转换纳米颗粒且最终产量达到了10克级以上。　　（2）为了解决核壳结构上转换纳米材料在制备过程时的重复操作问题，探究了核壳结构上转换纳米材料的连续注入合成方法。在该合成方法中，探究了不同反应温度对材料粒径、晶型结构和荧光发射强度的影响。研究结果表明，在反应温度达到310℃后，可以得到粒径均一、荧光发射强度大的纯六方相NaYF4:Yb,Tm@NaYF4。为了进一步验证方法的可行性，采用该方法制备出两种不同核壳结构的上转换纳米材料，并对两种材料的粒径、晶型和荧光强度进行了表征。　　（3）为了上转换纳米颗粒能够得到更好的应用，对所制备的疏水性上转换纳米颗粒进行表面改性来将它们转化为亲水性材料。然而，传统的表面改性方法产量较低，我们提出了一种物理研磨方法，可以获得在水中分散性较好的上转换纳米颗粒且产量较大，达到了克级以上。从表征数据可以得出，利用该方法，表面修饰剂成功修饰到材料表面且材料的水溶性较好。

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摘 要

ABSTRACT

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Contents

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 稀土元素研究现状

1.2.2 上转换发光材料研究现状

1.2.3 上转换纳米材料的组成研究现状

1.2.4 上转换纳米材料发光机理研究现状

1.2.4 上转换纳米材料核壳结构作用研究现状

1.3 研究内容与技术路线

1.3.1 论文研究内容

1.3.2 论文研究技术路线

2 上转换发光纳米材料的合成与表征

2.1 上转换发光纳米材料的合成方法

2.1.1 溶胶-凝胶法

2.1.2 共沉淀法

2.1.3 水热合成法

2.1.4 高温固相合成法

2.1.5 微乳液法

2.1.6 燃烧法

2.1.7 热分解法

2.2 热分解法合成NaYF4上转换发光纳米颗粒

2.2.1 实验原料与试剂

2.2.2 实验仪器与设备

2.2.3 实验步骤

2.2.4 热分解法原理

2.3 纳米颗粒的表征手段

2.3.1 扫描电子显微镜（SEM）

2.3.2 透射电子显微镜（TEM）

2.3.3 X射线粉末衍射

2.3.4 荧光发射光谱

3 上转换纳米颗粒的宏量合成

3.1 稀土油酸盐前驱体的合成

3.2 NaYF4:Yb3+/Tm3+纳米颗粒的宏量合成

3.3 NaYF4:Yb3+/Tm3+纳米颗粒的表征

3.3.1 NaYF4:Yb3+/Tm3+纳米颗粒生长过程SEM分析

3.3.2 NaYF4:Yb3+/Tm3+纳米颗粒的XRD分析

3.3.3 不同前驱体合成的NaYF4:Yb3+/Tm3+纳米颗粒的TEM图对比

3.3.4 不同前驱体合成的NaYF4:Yb3+/Tm3+纳米颗粒的XRD图

3.3.5 不同前驱体合成的NaYF4:Yb3+/Tm3+纳米颗粒的PL谱分析

3.3.6 NaYF4:Yb3+/Tm3+纳米颗粒的发光机理分析

3.4 本章小结

4 反应温度对核壳结构纳米颗粒连续注入合成的影响

4.1 NaYF4:Yb3+/Tm3+@NaYF4核壳结构纳米颗粒的连续注入合成

4.2 NaYF4:Yb3+/Tm3+@NaYF4核壳结构纳米颗粒的表征

4.2.1 样品的SEM分析

4.2.2 样品的XRD分析

4.2.3 样品的PL谱分析

4.2.3 样品的发光机理分析

4.3 本章小结

5 不同核壳结构纳米颗粒的连续注入合成与表征

5.1 不同核壳结构纳米颗粒的连续注入合成

5.2 不同核壳结构纳米颗粒的表征

5.2.1 样品的TEM分析

5.2.2 样品的XRD分析

5.2.3 样品的PL谱分析

5.2.4 样品的发光机理分析

5.3 本章小结

6 上转换纳米颗粒的表面修饰

6.1 物理研磨法对纳米颗粒的表面修饰

6.2 上转换纳米颗粒表面修饰的结果与讨论

6.2.1 样品的FTIR分析

6.2.2 样品的水溶性分析

6.2.3 样品的PL谱分析

6.3 本章小结

7 总结与展望

7.1 主要结论

7.2 展望

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果和获奖情况

致 谢