基本信息
- 项目名称：
- LaF3:Eu3+红色荧光粉的水热合成和荧光性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本研究采一种简单的低温水热法制备了LaF3:Eu3+红色荧光粉, 通过X射线粉末衍射(XRD) 、高分辨透射电镜（HRTEM）、扫描电子显微镜(SEM)、紫外漫反射光谱（UV-vis）、 红外光谱仪(IR)和荧光光谱(FL)等技术表征了样品，并探讨了溶液的pH、反应时间、反应温度，Eu3+掺杂浓度，氟源种类对产品荧光性能的影响。
- 详细介绍：
- 中国拥有得天独厚的稀土资源和应用开发优势，世界上已经查明的世界稀土资源的80%属于中国，并且品种齐全。从1986年起，中国稀土资源产量已跃居世界第一位，从资源大国成为稀土生产大国。目前，无论是储存、产量，还是出口量，中国在世界稀土市场占有举足轻重的地位。稀土元素由于具有特殊的电子结构，它们在光学方面有着特殊的性质,成为发展高新技术产业的关键元素，在信息、生物、新材料、新能源、空间和海洋六大新科技群中有着重要的作用。至今，对稀土发光材料及其器件构建的研究是化学和材料界研究的热点。吴大雄对LaF3 灼烧的退火温度对晶粒的影响做了详细探索，实验发现纳米尺寸的LaF3晶体具有高比例的晶界，该晶界拥有较多的缺陷，原子所受束缚比较少，致使原子的迁移能力强于晶核内部。另外，LaF3 晶体还有具有低的声子能量、高的热稳定性和环境稳定性, 并对所有的稀土离子有很强的溶解性, 致使LaF3 成为很好的固体电解质、电极材料、优良的光学基质材料。此外，纳米尺寸的LaF3纳米材料在润滑剂、发光剂、钢铁和有色金属合金添加剂、永磁材料、储氢合金等方面都有着重要的用途。近年来对以LaF3为载体用稀土掺杂的纳米荧光材料研究的较多，但针对水热反应条件对其荧光性能影响的研究不多，而通过控制水热反应条件优化红色荧光材料LaF3:Eu3+晶粒尺寸、发光强度、色纯度等方面的研究甚少。因此，寻求一种尺寸和形貌可控的LaF3:Eu3+纳米晶的合成方法以及深入探讨合成条件的影响以及Eu3+掺杂对基体LaF3的敏化作用的研究具有重要的理论意义和应用价值。 本课题以等离子体平板显示器(Plasma Display Panels，简称PDPs )为研究背景。PDPs是一种气体放电的平板显示器, 其内池涂有红、绿、蓝三色荧光粉，控制电路电压和时间就可得各种彩色的画面。传统的PDPs 所用的发光材料均沿用灯用发光材料，其效率低、稳定性差、颜色不匹配等, 急需改进和研制新的发光材料，而稀土掺杂氟化物纳米发光材料具有效率高、稳定性好、色纯度高等特点。 此外稀土掺杂氟化物纳米材料具有较低的声子能，可以降低非辐射跃迁提高发光强度，在氧化物、硫化物、磷化物等众多基质中脱颖而出,被广泛应用在生物标记、医学成像、分析检测、疾病治疗等各个领域。 本文以LaF3为载体，利用水热法直接合成纳米级LaF3:Eu3+荧光材料。采用X射线粉末衍射(XRD) 、高分辨透射电镜（HRTEM）、扫描电子显微镜(SEM)、紫外漫反射光谱（UV-vis）、 红外光谱仪(IR)和荧光光谱(FL)等技术分别探讨了掺杂浓度、pH值、反应温度、反应时间、650℃灼烧时间对样品的物相结构、形态分布、形貌尺寸、光学性能的影响及其原因。 测试结果表明，LaF3:Eu3+样品具有良好的结晶度，属于六方相晶体结构，其晶粒尺寸在12-50 nm内。荧光结果表明，LaF3:Eu3+纳米晶在397nm(7F0 →5L6 )光源激发下表现出良好的橙红色发射（592 nm，5D0→7F1）。当Eu3+离子掺杂摩尔浓度为10 %时，样品的荧光强度达到最大值，但煅烧后的样品表现出较强的红光发射（619 nm，5D0→7F2）。更高的Eu掺杂浓度会引起荧光猝灭。 结论 （1）XRD测试表明，水热合成的LaF3:Eu3+结晶度良好，为六方相晶体，晶粒尺寸大小在 10nm~50nm内。 （2）SEM和TEM测试结果说明，粒子晶型比较规整，边沿较清晰，晶格条纹呈60度角属于六方相晶系。样品具有很整齐晶格条纹，对应于（110）晶面的间距为0.358nm。样品具有很整齐的斑点表明了样品为单晶结构。这些结果与XRD衍射光谱测试相符，说明通过XRD衍射所得样品的晶粒尺寸大小与SEM和TEM的分析比较吻合。 （3）紫外-可见漫发射分析结果表明，灼烧时间的延长使得LaF3:Eu3+的晶粒尺寸的不断增大，能量的禁带宽度变大，致使吸收峰移向高能区，符合MILLS和JUDD[7]所描述的量子限域效应。 （4）红外光谱分析显示，LaF3׃Eu3+存在着末端羟基基团，这是晶体中水分子中的H-O-H的弯曲振动。对稀土离子而言，水是一种很强的配位体，所以晶体存在着末端羟基基团。经过灼烧的晶体，红外主要吸收带有明显的蓝移现象，这是由于LaF3׃Eu3+在高温下引入氧原子的缘故。 （5）样品的荧光分析结果显示，荧光材料LaF3:Eu3+的水热反应最佳条件是在pH为9，掺杂的摩尔分数是10%，在反应温度为100℃的水热条件下反应12 h。能获得最强的荧光。反应的pH、掺杂的浓度，反应的温度和时间对晶体的荧光特性均有较大的影响。在650℃下灼烧8h晶体的缺陷减少，荧光强度增强。
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撰写目的和基本思路
- 等离子体平板显示器(Plasma Display Panels，简称PDPs )是一种气体放电的平板显示器, 其内池涂有红、绿、蓝三色荧光粉，控制电路电压和时间就可得各种彩色的画面。传统的PDPs 所用的发光材料均沿用灯用发光材料，其效率低、稳定性差、颜色不匹配等, 急需改进和研制新的发光材料，而稀土掺杂氟化物纳米发光材料具有效率高、稳定性好、色纯度高等特点。
科学性、先进性及独特之处
- 本文采用水热法合成LaF3:Eu3+光电荧光纳米微粒，合成方法简单，设备要求不高，不同于微波法、燃烧法、喷雾热解法等对设备和反应条件的苛刻要求，克服常规方法产品的粒度不均匀，色纯度不高等缺点。本文采用简单的水热法能合成具有良好荧光性能且粒度均匀、色纯度高、稳定性好、发光效率强的LaF3:Eu3+红色荧光纳米材料。整个制备工艺简单、操作方便。
应用价值和现实意义
- 水热产品LaF3:Eu3+红色荧光粉的粒度均匀、色纯度高、稳定性好、发光效率强，可应用PDP和LED用的荧光材料;所得的液相制备工艺和技术为LaF3:Eu3+红色荧光材料在光电子工业和生物技术方面的应用提供理论依据和实验数据。同时对其它无机荧光材料的水热合成提供借鉴。
学术论文摘要
- 近几年，稀土氟化物已成研究热点，而稀土掺杂的氟化镧具有特殊的光学性能，并广泛应用于平板显示器、场发射和固体激光器等领域。本研究采一种简单的低温水热法制备了LaF3:Eu3+红色荧光粉, 通过X射线粉末衍射(XRD) 、高分辨透射电镜（HRTEM）、扫描电子显微镜(SEM)、紫外漫反射光谱（UV-vis）、 红外光谱仪(IR)和荧光光谱(FL)等技术表征了样品，并探讨了溶液的pH、反应时间、反应温度，Eu3+掺杂浓度，氟源种类对产品荧光性能的影响。测试结果表明，LaF3:Eu3+样品具有良好的结晶度，属于六方相晶体结构，其晶粒尺寸在12-50 nm内。荧光结果表明，LaF3:Eu3+纳米晶在397nm(7F0 →5L6 )光源激发下表现出良好的橙红色发射（592 nm，5D0→7F1）。当Eu3+离子掺杂摩尔浓度为10 %时，样品的荧光强度达到最大值，但煅烧后的样品表现出较强的红光发射（619 nm，5D0→7F2）。更高的Eu掺杂浓度会引起荧光猝灭。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 暂无
参考文献
- [1] 张希艳，卢利平.稀土发光材料[M].北京.国防工业出版社.2005.3. [2] 江祖成，蔡汝秀，张华山。稀土元素分析化学[M] . 北京:科学出版社,2000. [3] 吴大雄。纳米LaF3的制备及热稳定性、导电性能研究[D]博士学位论文 江苏浙江 浙江大学 [4] 张茂峰, 孟建新,刘应亮,等. LaF3∶Eu3 + 纳米粒子的水热法制备及发光性质研究[J] 中国稀土学报 2005 . 第23卷第5期 [5] Zhang Zefu, Yu Laigui, Liu Weimin, et al. The effect of LaF3 nanocluster modified with succinimide on the lubricating perfor-mance of liquid paraffin for steel-on-steel system [J]. Tribology In-ternational, 2001, 34: 83. [6] Zhuchkov B S, Tolstoy V E, Murin I N. Synthesis of ScF3, LaF3nanolayers and nLaF3-mScF3 multinanolayers at the surface of silicon by successive ionic layer deposition method [J]. Solid StateIonics, 1997, 101-103: 165. [7] MILLS G,ZONGGUAN L, MEISEL D. Synthesis, structure, and properties of organic-inorganic perovskite and related materials[J]. Phys Chem, 1988, 92: 822−826. [8]韩荣罗，朱成良，汪新颜，等. 六角状SmF_3:Eu~(3+)纳米晶体的制备与表征[J] 浙江理工大学学报 [9] 刘桂霞,苏瑞相,王进贤,等.棒状LaF3:Eu3+纳米晶的制备与发光性能 [J]高等学校化学学报
同类课题研究水平概述
- 近年来对以LaF3为基质材料掺杂稀土离子的荧光材料引起人们的高度关注，原因是这种掺杂稀土离子的纳米晶具有发光稳定，半峰全宽窄,斯托克斯位移大,材料本身生物毒性低等特点。并且LaF3具有较低的声子能量, 高的热稳定性和环境稳定性，并对所有的稀土离子都有很强的溶解性, 使得LaF3 成为很好的固体电解质、电极材料、优良的光学基质材料。正应如此，国内外已有不少学者从事这一方面的研究，并且从不同方向对此做出了研究。 付艳鹏，李敏等采用化学共沉淀法制备了壳聚糖/LaF3:Eu3+纳米复合粒子，其表面包覆的壳聚糖使其易溶于水,并具备了与生物蛋白偶联的多个基团，这从生物特性方面研究了该纳米晶。硕士生崔天蜂通过添加不同的高分子电解质（如PSS、PDDA、PAH、Dextran）对纳米晶LaF3:Eu3+的结构的影响做出了相关的研究，通过添加高分子电解质使得纳米晶LaF3:Eu3+荧光强度增强的800到1000倍。张茂峰, 孟建新, 刘应亮等对纳米LaF3:Eu3+的反应条件对其荧光性能的影响作出了初步探讨。秦炎福 姜广智, 何恩节, 官邦贵等对LaF3:Eu3+纳米晶体-液体悬浮系统中荧光弛豫的局域场效应，从纳米晶的结构和量子电动力学理论研究了纳米晶的荧光衰减的原因。对于纳米LaF3:Eu3+的应用方面，在工业、航空、电子、生物和医药等领域得到广泛的应用。 本文深入探讨了水热制备LaF3:Eu3+纳米晶的合成条件，研究了体系pH、反应温度、反应时间、掺杂浓度、不同氟源对材料荧光特性的影响，迄今未见相关文献报道。因此，合成具有发光性能稳定而优越的纳米级的红色荧光材料，优化LaF3:Eu3+纳米晶的性能，为实现该类荧光材料在显示器与荧光探针方面的应用提供实验数据和理论依据。
