發(fā)光材料的制備和特性研究274(實驗)

1、材料物理綜合實驗報告實驗題目：發(fā)光材料的制備和特性研究物理與能源學院 材料物理專業(yè)_2011_級_1_班學號_姓名_賴婷婷_指導老師:_林林老師_發(fā)光材料的制備和特性研究（實驗報告）摘要：本實驗用高溫固相法制備鉬酸釔鏑，通過紫外分光光度計對材料的激發(fā)強度和發(fā)射強度進行測試，結果發(fā)現(xiàn)鉬酸釔鏑在波長為353nm時激發(fā)峰最強，在波長為383.5nm時的發(fā)射峰最強引言：發(fā)光是物質將某種方式吸收的能量轉化為光輻射的過程，是熱輻射之外的另一種輻射。要確定某一種材料是否發(fā)光并沒有明顯的界限，一般激發(fā)條件下不發(fā)光的材料在非常強的能量激發(fā)下有微弱的發(fā)光。有些材料需要提高純度，發(fā)光才能變強，有些材料則需要摻入一定

2、量的激活劑才能發(fā)光發(fā)光材料在信息、能源、材料、航天航空、生物技術和環(huán)境科學等領域有著廣泛的應用前景，對全球信息高速公路的建設及國家經濟和科技的發(fā)展有著舉足輕重的推動作用。稀土離子摻雜材料的上轉換發(fā)光，是一種吸收兩個或兩個以上的低能光子發(fā)射出一個高能光子的發(fā)光過程。摻雜在晶體或玻璃態(tài)物質基質中的稀土離子，可以通過激發(fā)態(tài)吸收和各種能量傳遞過程被激發(fā)至高于泵浦能量的能級而向下躍遷產生上轉換發(fā)射。發(fā)光材料種類和應用對固體發(fā)光材料而言，發(fā)光材料主要包括無機材料和有機材料兩大類，根據(jù)其被激發(fā)的方式不同可以具體劃分為以下幾種類型: 稀土發(fā)光材料的發(fā)光原理： 三價稀土離子：La3+： Xe 4f0-Lu3+：

3、Xe4f14 Xe=Kr4d105s25p6，三價稀土離子，4f電子能量最高。三價稀土離子的發(fā)射和激發(fā)絕大多數(shù)是由4f電子在f組態(tài)內不同能級之間的躍遷而產生的，稱為4f4f躍遷,4f4f躍遷種類豐富，譜線很多。4f電子能量高于5s和5p，但比5s和5p電子離核近，處于內層。5s25p6形成了良好的電屏蔽，三價稀土離子摻入晶體時，在晶體中比較獨，4f能級位置受晶體的影響不大，在所有晶體中都差不多在+3價稀土離子中，Y3+和La3+無4f電子，Lu3+的4f亞層為全充滿的，都具有密閉的殼層。因此是光學惰性的，適用于作基質材料。從Ce3+到Yb3+，電子依次填充在4f軌道，從f 1 到 f 13，其

4、電子層中都具有未成對電子，其躍遷可產生發(fā)光。這些離子適于作為發(fā)光材料的激活離子。 Dieke圖：三價稀土離子在LaCl3晶體中的4f電子能級圖 固體發(fā)光原理發(fā)光的定義是物質受外界激發(fā)而吸收能量，然后躍遷至激發(fā)態(tài)（非穩(wěn)定態(tài)），在返回到低能態(tài)的過程中，以光輻射的形式釋放能量。如果輻射的光為可見光，則稱為固體發(fā)光。在各種類型激發(fā)作用下能量發(fā)光的物質稱為發(fā)光材料。一般的說，發(fā)光材料是由兩部分組成：激活離子（發(fā)光中心的摻雜離子）以及基質（材料的主體）。發(fā)光是和晶體內部的能量傳遞、缺陷結構、載流子遷移、能帶結構等微觀過程有關的一種宏觀現(xiàn)象。故固體發(fā)光過程下圖所示固體發(fā)光原理其中 M 表示晶體基質，在基質

5、M 中摻入兩種離子 A 和 S。當基質晶格 M 吸收激發(fā)能后，把能量傳遞給摻雜的外來離子，使其躍遷至激發(fā)態(tài)，當激活離子返回到基態(tài)時可能有三種過程發(fā)生：(1) 以熱的形式釋放激發(fā)能量，稱為“無輻射弛豫”，也叫熒光猝滅；(2) 以光輻射形式釋放能量，此為“發(fā)光”現(xiàn)象； (3) S 離子將吸收的激發(fā)能傳遞給離子 A，即 S 吸收的全部或部分激發(fā)能通過 A 離子釋放。稱為“敏化發(fā)光”。在第三種過程中，我們一般地將 A 離子叫做激活劑，S 為敏化劑。稀土離子是常用的激活離子，在周期表中的位置如下圖。熒光粉的發(fā)光原理那不同的發(fā)光材料有不同的發(fā)光過程和機制，下面我們有必要簡述一下熒光粉的發(fā)光原理：(1)發(fā)光

6、中心指激活劑或基質晶格，從外部吸收能量。一般高能激發(fā)是基質晶格吸收能量，再傳遞給發(fā)光離子，發(fā)光離子從基態(tài) E0被激發(fā)到激發(fā)態(tài)能級 E2。激活劑被直接激發(fā)多出現(xiàn)在紫外或可見輻射。(2) 被激發(fā)到高激發(fā)態(tài)的離子以熱(無輻射)的形式釋放一部分能量，達到亞穩(wěn)態(tài)能級 E1，然后電子從能級 E1躍遷至基態(tài) E0，以發(fā)光(輻射)的形式釋放激發(fā)能。熒光粉的發(fā)光原理制作工藝：作為光電產業(yè)的重要材料，金屬鉬酸鹽在光致發(fā)光、光導纖維、閃爍器、微波器件、濕度傳感器、催化劑等方面的應用十分廣泛。其中，具有白鎢礦結構的鉬酸鹽材料的研究最為廣泛。在發(fā)光材料應用方面，大多數(shù)此類鉬酸鹽都是重要的閃爍體或 X 射線發(fā)光體。另外，

7、鉬酸根具有特殊性質, 鉬離子被 4個氧離子包圍，位于四面體的對稱中心，具有很好的穩(wěn)定性，在紫外光作用下，鉬酸根能發(fā)出藍色至黃色光譜線，并傳遞給摻雜在鉬酸鹽基體中的稀土離子，因而，摻雜稀土鉬酸鹽熒光粉被認為是一種很有前途的 LED 轉換用熒光粉。目前發(fā)光材料的主要合成方法有:高溫固相法，化學沉淀法，水熱合成法，溶膠一凝膠法，微波合成法，燃燒合成法高溫固相法高溫固相反應法是發(fā)光材料的一種傳統(tǒng)的合成方法。固相反應通常取決于材料的晶體結構及其缺陷結構,而不僅是成分的固有反應性。在固態(tài)材料中發(fā)生的每一種傳質現(xiàn)象和反應過程均與晶格的各種缺陷有關。通常固相中的各類缺陷愈多,則其相應的傳質能力就愈強,因而與傳

8、質能力有關的固相反應速率也就愈大固相燃燒法合成稀土鑰酸鹽發(fā)光材料及發(fā)光性質研究固相反應的充要條件是反應物必須相互接觸,即反應是通過顆粒界面進行的。反應物顆粒越細,其比表面積越大,反應物顆粒之間的接觸面積也就越大,有利于固相反應的進行。因此,將反應物研磨并充分混合均勻,可增大反應物之間的接觸面積,使原子或離子的擴散輸運比較容易進行,以增大反應速率。另外,一些外部因素,如溫度、壓力、添加劑、射線的輻照等,也是影響固相反應的重要因素。固相反應通常包括以下步驟:(l)固體界面如原子或離子的跨過界面的擴散；(2)原子規(guī)模的化學反應；(3)新相成核；(4)通過固體的輸運及新相的長大。決定固相反應性的兩個重

9、要因素是成核和擴散速度。如果產物和反應物之間存在結構類似性,則成核容易進行。擴散與固相內部的缺陷、界面形貌、原子或離子的大小及其擴散系數(shù)有關。此外,某些添加劑的存在可能影響固相反應的速率。在高溫固相反應中往往還需要控制一定的反應氣氛,有些反應物在不同的反應氣氛中會生成不同的產物,因此要想獲得滿意的某種產物,就一定要控制好反應氣氛。溶膠一凝膠法產生溶膠一凝膠過程的機制不外乎三種類型:無機聚合型、傳統(tǒng)膠體型和絡合物型。這三種類型的溶膠一凝膠法制備各種材料的一般特點可歸結為以下幾條:l)產品均勻性好,尤其是多組分制品,其均勻度可以達到分子或原子尺度;2)產品純度高,由于可以使用高純度原料,溶劑在處理

10、過程中容易去除;3)燒結溫度比傳統(tǒng)固相反應法低200一500e,這樣可以節(jié)約能源,另外避免由于燒結溫度高而從反應器中引入雜質;4)反應過程及凝膠的微觀結構都可以控制,可以大大減少支反應，分相,并可避免結晶;5)從同一原料出發(fā),改變工藝過程,可以獲得不同形態(tài)的制品；用溶膠一凝膠法制備發(fā)光材料的一般特點是:l)降低發(fā)光粉的燒結溫度,無論是開始結晶溫度還是結晶完全溫度,溶膠一凝膠法都比固相法來的低。這一方面可以節(jié)省能源,另一方面可以避免由于高溫燒結而從反應器等外部引入有害雜質,從而提高發(fā)光粉的發(fā)光性能；2)使激活離子能夠比較均勻的分布在基質晶格中,有利于找到發(fā)光體發(fā)光最強時激活離子的最低濃度；3)使

11、帶狀發(fā)射峰變窄,同時有利于提高發(fā)光體相對發(fā)射強度及相對量子效率。溶膠凝膠法,與高溫固相法相比，容易引入雜質，合成產物的發(fā)光性能較差，且有時較難制得反應操作也較復雜且周期長。本實驗是用高溫固相法制備的鉬酸釔鏑稀土發(fā)光材料。儀器和設備分析天平:型號為ABZO4N,精確度為0.0001克；瑪瑙研缽:用來混合研磨原料；坩堝:用來盛裝混合物,以便將原料放進高溫爐內點燃；KSL-1100X箱式電阻爐:高溫處理。性能測試儀器設備X射線衍射儀：進行樣品組織結構分析；掃描電子顯微鏡:進行樣品的形貌分析；熒光分光光度計:測量樣品的上轉換發(fā)光光譜；激光器:作為激發(fā)光源；激光功率能量計:激光功率能量計測試激發(fā)光功率。

12、藥品四水合鉬酸銨分析純、氧化釔99.99%、氧化鏑99.99%、實驗過程：首先按比例準確稱量各種反應物,將其在洗凈的瑪瑙研缽中研磨,混合均勻后將前驅物放入箱式爐中,試驗工藝流程可以分為三個相對獨立的部分,第一部分是前驅物的制備,第二部分是樣品的高溫合成,第三部分是樣品的性能測試分析。前驅物的制備1)首先按比例，通過方程式計算出所需的材料氧化釔99.99%需0.011g, 氧化鏑99.99%需0.671g, 四水合鉬酸銨分析純需1.5890g，準確用電子天平稱量各種反應物。2)將稱量的原料倒入洗凈的瑪瑙研缽中,加酒精研磨約30分鐘混合物為凝膠狀3)將混合物快速轉移到坩堝中,即得到可用于合成的前驅

13、物樣品的高溫合成先將高溫電阻爐加熱到燃燒反應的引發(fā)溫度,然后將裝有前驅物的坩堝快速放進箱式爐中樣品性能測試分析將所得到的鉬酸釔鏑粉末用紫外分光光度計測量稀土材料的透射率和反射率。實驗數(shù)據(jù)分析：激發(fā)波長掃描儀器條件：Instrument parametersMeasurement type:Wavelength scanScan mode:ExcitationData mode:FluorescenceEM WL:575.0 nmEX Start WL:300.0 nmEX End WL:540.0 nmScan speed:300 nm/minDelay:0.0 sEX Slit:2.5 nm

14、EM Slit:2.5 nmPMT Voltage:400 VResponse:0.4 s從圖中可以看出，鉬酸釔鏑在波長為353nm時激發(fā)峰最強，363nm時激發(fā)峰次強，接下來的較強峰依次為389nm,453.5nm發(fā)射波長掃描儀器條件：Instrument parametersMeasurement type:Wavelength scanScan mode:EmissionData mode:FluorescenceEX WL:354.0 nmEM Start WL:380.0 nmEM End WL:690.0 nmScan speed:300 nm/minDelay:0.0 sEX S

15、lit:2.5 nmEM Slit:2.5 nmPMT Voltage:400 VResponse:0.4 sCorrected spectra:Off從從圖中可以看出，鉬酸釔鏑在波長為383.5nm時的發(fā)射峰最強，還有比較明顯的發(fā)射峰為482nm,和574.5nm思考題 1. 三價稀土離子有什么共同的發(fā)光特性？如何從其電子組態(tài)解釋？ 自由的三價稀土離子4f-4f躍遷很弱摻入晶體時，選擇定則被部分解除， 4f-4f躍遷較強,因為只是部分解除，所以呈現(xiàn)尖銳的線譜，熒光壽命長。La3+： Xe 4f0-Lu3+：Xe4f14 Xe=Kr4d105s25p6，三價稀土離子，4f電子能量最高。三價稀土離子的發(fā)射