硅酸鎂發光材料的研究進展

中央高校基本科研業務經費專項，中國地質大學（北京）本科生創新實驗項目

摘 要：硅酸鎂是一種性能較穩定的基質材料，可以通過與稀土離子摻雜的手段，生成具有不同發光特性的材料。硅酸鎂體系發光材料既可以作為能源和節能發光材料，同時還可以用于熱釋光計量材料。本文綜述了近些年來硅酸鎂發光材料的主要制備方法和相關應用。

關鍵詞：Mg2SiO4 發光材料 制備方法

中圖分類號：TQ57 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2011）12（a）-0000-00

硅酸鎂是一種性能較穩定的基質材料，可以通過與多種稀土離子摻雜，從而生成具有不同發光特性的材料。硅酸鎂體系發光材料中，通過摻雜（如Eu2+、Dy3+、Mn2+等稀土離子）可以制備成長余輝發光材料，這種材料能夠將白天吸收的太陽能儲存起來，晚上釋放儲存能量而產生余輝光。Tb3+、Dy3+等稀土離子摻雜硅酸鎂具有很高的靈敏度，可制備為熱釋光劑量材料，被廣泛應用于輻射防護領域，尤其是個人劑量監測和環境輻照劑量監測。由于硅酸鎂體系發光材料的用途廣泛具有重要的研究意義，本文將對近些年來硅酸鎂體系發光材料常規制備方法和相關應用加以介紹。

1 Mg2SiO4晶體結構

硅酸鎂的化學式為Mg2SiO4，斜方晶系，單島狀結構；其點模型圖如圖1所示，O2-平行（100）近似六方最緊密堆積，Si4+充填其1/8的四面體空隙，Mg2+充填其1/2的八面體空隙；空間群Pbnm，Mg2SiO4的a0=0.4754 nm，b0=1.0197 nm，c0=0.59861 nm。陽離子Mg2+占據兩個不同的八面體位置M1和M2，分別與硅酸鹽陰離子形成離子鍵，其中M2格位所占空間更大。在稀土摻雜過程中，陽離子Mg2+通常可以被稀土元素（RE）取代。

2 制備方法及相關應用

2.1 高溫固相法

高溫固相法是一種成熟的制樣方法，是指將滿足純度要求的原料按一定配比稱量，加入一定量的助熔劑混合至充分均勻。將混合均勻的生料裝入坩堝，送入焙燒爐，在一定的條件下（溫度制度、還原氣氛、反應時間等）進行焙燒得到產品。

孫成禮等人采用高溫固相法，以Mg(OH)2·4MgCO3·6H2O、SiO2（純度99.9%）為原料，由高溫固相法合成Mg2SiO4。他們研究發現當Mg/Si摩爾比為2:1.2，SiO2足夠過量時，在1200℃左右空氣氣氛中保溫3小時預燒，可以合成主晶為純Mg2SiO4的粉體基料，否則Mg2SiO4會有明顯團聚出現，活性降低。

M. Prokic和E.G. Yukihara[8]在試驗中加入激活劑Tb4O7制得了鋱摻雜的鎂硅酸。MgO和SiO2以化學計量比反應，加入激活劑Tb4O7，其用量約為12毫克鋱每克摩爾Mg2SiO4。用電爐在1660℃空氣中極為緩慢加熱速率下燒結1小時。將多晶磷光體粉碎，并用尺寸為75至200μm的網將晶粒過篩，制得鋱摻雜的鎂硅酸。以這種方法制得的鋱摻雜的硅酸鎂具有極高的熱釋光靈敏度，具有簡單的發光曲線，在醫療和環境劑量測定等領域中有著很好的應用前景。

2.2 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是將金屬醇鹽或無機鹽經水解直接形成溶膠或經解凝形成溶膠，然后使溶質聚合凝膠化，再將凝膠干燥、焙燒去除有機成份，最后得到無機材料。用溶膠-凝膠法合成發光材料的粒徑更細，無需研磨，且合成溫度比傳統的合成方法要低，這種方法在發光材料中具有一定的潛力。

林林采用溶膠凝膠法制備Mg2SiO4的原料是：Mg(NO3)2·6H2O，Mn(NO3)2，(CH3CH2O)4Si（正硅酸乙醋，TEOS）和酒精（以上均為分析純）。配料時Mg和Si原子比2:1，其它原料按給定摻雜濃度。制得Mg2SiO4后摻雜Eu2+、Dy3+、Mn2+發現這些材料都具有較強發光強度和較長余輝時間，可作為紅色長余輝材料，但性能不如MgSiO3:Eu2+、Dy3+、Mn2+優越。

于洋等人采用溶膠凝膠法制備了Mn2+摻雜的Mg2SiO4，他們研究發現MgSiO3可以通過加入H2O2和H2O的混合液，制得的MgSiO3比只在酸性環境下制備的更加純凈。制備出的Mn2+摻雜的Mg2SiO4具有更強的激發強度的焠滅中心，發光特性更加穩定。

2.3 微波法

微波法是一種較新的合成方法，其過程是按一定比例稱取原料，加入一定量的激活劑和摻雜劑，在瑪瑙研缽中充分研磨，裝入小剛玉坩堝，壓實，蓋嚴后放入另一大坩堝內，夾層填充碳粒作還原劑，置于微波爐內加熱一定時間，冷卻后即得發光材料。

李雅麗、王超男等人進行了Mn2+、Dy3+摻雜Mg2SiO4的研究，他們將制得的凝膠置于恒溫干燥箱中干燥后，研磨得到前軀粉末。把前軀粉末裝進小坩堝，再套到大號坩堝中，中間填充微波吸收劑，然后放到微波爐中，接受微波輻射。研究發現微波時間的小變動會對樣品的發光產生重要影響。把微波時間從5 min 延長為7 min 可以使樣品的發光特性得到顯著增強。

3 結語

本文介紹了近些年來硅酸鎂發光材料的制備和相關應用，可以看到：高溫固相法工藝流程簡單，但是所需溫度高，晶粒較大需要研磨，在球磨時將可能造成晶體形狀的改變，會可能影響發光性能；溶膠-凝膠法更易于獲得純相產品，粒徑較小，同時反應溫度也比高溫固相反應法的溫度低，但是一些原料（如金屬醇鹽）價格比較昂貴，凝膠過程所需時間較長；微波法制得樣品發光特性良好，但缺少適合工業化大生產的微波窯爐。硅酸鎂發光材料因其優良的特性，越來越受到人們的重視。相信通過科研人員的努力，將會研發出性能更加優良的硅酸鎂體系發光材料。

參考文獻

[1]劉志平，胡社軍，黃慧民等.發光材料特征及其制備方法[J].當代化工，2008

[2]王愛銀.長余輝發光材料的常規制備方法綜述[J].長江大學學報(自然科學版)，2010

[3]戴鴻貴.一些熱釋光磷光體的制備及其性能比較[J].輻射防護通訊，1985