一种制备氧化锌纳米晶和稀土离子共掺的锌铝硅酸盐玻璃的方法

摘要

本发明公开了一种制备氧化锌纳米晶和稀土离子共掺的锌铝硅酸盐玻璃的方法，其步骤为：首先在研钵中将氧化锌粉体、二氧化硅、氧化铝、氧化钾和稀土氧化物混合均匀，然后采用高温熔融，将熔融液冷却至室温后，在600～700℃进行热处理，获得氧化锌纳米晶和稀土离子共掺的锌铝硅酸盐玻璃。本发明制备方法简单，原料成本低廉，整个制备过程在空气气氛中进行，无需特殊装置，所需设备简单。本发明首次在锌铝硅酸盐玻璃基体中经热处理生成ZnO纳米晶，纳米晶颗粒尺寸均匀，直径在10nm左右，使玻璃基体的结构发生变化，产生的ZnO纳米晶与稀土离子相互作用，有助于优化光学玻璃的光电学性能。

说明书

技术领域

本发明涉及锌铝硅酸盐玻璃的制备方法，尤其是制备氧化锌纳米晶和稀土离子共掺的锌铝硅酸盐玻璃的方法。

背景技术

氧化锌是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带化合物半导体材料，通常存在三种晶型，六边纤锌矿结构、立方闪锌矿结构，以及比较罕见的氯化钠式八面体结构。相比较，纤锌矿结构在三者中稳定性最高，它也是目前在纳米晶应用方面研究最广泛的一种半导体金属氧化物。它具有优异的光学和电学特性，具备了发射蓝光或近紫外光的优越条件，因而有望开发出紫外、绿光、蓝光等多种发光器件。相比硼酸盐玻璃和磷酸盐玻璃，氧化锌玻璃具有更好的理化性能，且易于掺杂作为发光中心的稀土离子。因此，含氧化锌纳米晶的玻璃在LED应用和近紫外/蓝光光电器件应用等方面，受到国内外广大学者的极大关注。

制备ZnO纳米晶的方法有液相直接沉淀法、水热法、气相法、溶胶-凝胶法和高温熔融法等。高温熔融法由于设备简单，反应参数简单和反应过程易控制而得到广泛应用，但通常情况是在晶体基质中得到的ZnO纳米晶，需要复杂的反应过程才能制得。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作方法简单，成本低的制备氧化锌纳米晶和稀土离子共掺的锌铝硅酸盐玻璃的方法。

本发明的制备氧化锌纳米晶和稀土离子共掺的锌铝硅酸盐玻璃的方法，采用的是高温熔融法，包括以下步骤：

1）将氧化锌粉体、二氧化硅、氧化铝、氧化钾和稀土氧化物放入研钵，混合均匀后倒入坩埚中，氧化锌粉体、二氧化硅、氧化铝、氧化钾和稀土氧化物的质量比为35~43:25~36:15.2:14:0.2；

2）将步骤1）的坩埚放入高温炉中，以7～10℃/min升温速率升温至1560℃，保温2 h熔融；

3）将步骤2）的熔融液倒在300～500℃的铜板或石墨板上冷却至室温，然后在600～700℃热处理2 h，得到氧化锌纳米晶和稀土离子共掺的锌铝硅酸盐玻璃。

上述的稀土氧化物为氧化铕、氧化镝和氧化铒中的一种或几种按任意比例的混合物。

本发明的有益效果在于：

本发明制备方法简单，原料成本低廉，整个制备过程在空气气氛中进行，无需特殊装置，所需设备简单。本发明首次在锌铝硅酸盐玻璃基体中经热处理生成ZnO纳米晶，纳米晶颗粒尺寸均匀，直径在10 nm左右，使玻璃基体的结构发生变化，产生的ZnO纳米晶与稀土离子相互作用，有助于优化光学玻璃的光电学性能。

附图说明

图 1 是氧化锌纳米晶和稀土离子共掺的锌铝硅酸盐玻璃的X射线衍射图谱。

图 2 是氧化锌纳米晶和稀土离子共掺的锌铝硅酸盐玻璃的高分辨透射电镜照片。

图 3 是锌铝硅酸盐玻璃在247 nm激发波长下的发射光谱，其中曲线a为未生成ZnO纳米晶时的锌铝硅酸盐玻璃，曲线b为有ZnO纳米晶生成时的锌铝硅酸盐玻璃。

具体实施方式

实施例 1

1）将氧化锌粉体、二氧化硅、氧化铝、氧化钾和氧化铕放入研钵，混合均匀后倒入坩埚中，氧化锌粉体、二氧化硅、氧化铝、氧化钾和氧化铕的质量比为35:35.8:15.2:14:0.2；

2）将含配合料的坩埚放入高温炉中，以10℃/min升温速率升温至1560℃，保温2 h熔融；

3）将步骤2）的熔融液倒在300℃的铜板上冷却至室温，然后在650℃热处理2 h，得到氧化锌纳米晶和稀土离子共掺的锌铝硅酸盐玻璃。

产品的X射线衍射图谱如图 1曲线（a）所示，由图可见，样品衍射峰与纤锌矿结构氧化锌的标准图谱一致，说明所得产品为纤锌矿结构的氧化锌纳米晶。通过谢乐公式（Scherrer equation）计算，其晶体平均直径为10 nm。

实施例 2

1）将氧化锌粉体、二氧化硅、氧化铝、氧化钾和氧化铒放入研钵，混合均匀后倒入坩埚中，氧化锌粉体、二氧化硅、氧化铝、氧化钾和氧化铒的质量比为35:35.8:15.2:14:0.2；

2）将含配合料的坩埚放入高温炉中，以7℃/min升温速率升温至1560℃，保温2 h熔融；

3）将步骤2）的熔融液倒在500℃的石墨板上冷却至室温，然后在分别在700℃热处理2 h，得到氧化锌纳米晶和稀土离子共掺的锌铝硅酸盐玻璃。

产品的X射线衍射图谱如图 1曲线（b）所示，其衍射峰与纤锌矿结构氧化锌的标准图谱一致，说明所得产品为纤锌矿结构的氧化锌纳米晶。通过谢乐公式（Scherrer equation）计算，其晶体平均直径为10 nm。

本例制备的氧化锌纳米晶和稀土离子共掺的锌铝硅酸盐玻璃的高分辨透射电镜照片如图 2 ，从高分辨透射电镜照片可以清楚的看到晶粒直径在10 nm左右，与谢乐公式计算值符合。

图 3 是锌铝硅酸盐玻璃在247 nm激发波长下的发射光谱，其中曲线a为未生成ZnO纳米晶时的锌铝硅酸盐玻璃，曲线b为有ZnO纳米晶生成时的锌铝硅酸盐玻璃。比较图中曲线a和曲线b，可见本例制备的氧化锌纳米晶和稀土离子共掺的锌铝硅酸盐玻璃，有ZnO纳米晶生成时，在247 nm 激发波长下的产品比未生成ZnO纳米晶时在400 nm左右有更强的发射强度，说明生成ZnO纳米晶产品具有更优良的光电学性能。