Li+、Na+和Eu3+共摻Lu2O3的制備及發(fā)光特性研究

庹 娟， 王林香*， 李 敏

(1. 新疆師范大學(xué) 物理系， 新疆 烏魯木齊 830054； 2. 新疆師范大學(xué) 礦物發(fā)光及其微結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 烏魯木齊 830054；3. 新疆師范大學(xué) 理論物理自治區(qū)重點(diǎn)學(xué)科， 新疆 烏魯木齊 830054)

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Li+、Na+和Eu3+共摻Lu2O3的制備及發(fā)光特性研究

庹 娟1,2,3， 王林香1,2,3*， 李 敏1,2,3

(1. 新疆師范大學(xué) 物理系， 新疆 烏魯木齊 830054； 2. 新疆師范大學(xué) 礦物發(fā)光及其微結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 烏魯木齊 830054；3. 新疆師范大學(xué) 理論物理自治區(qū)重點(diǎn)學(xué)科， 新疆 烏魯木齊 830054)

用高溫固相法合成了不同摻雜濃度的Li+、Na+和Eu3+共摻Lu2O3閃爍體發(fā)光材料，使用XRD進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，用掃描電鏡觀察了樣品形貌，測(cè)量了激發(fā)光譜、發(fā)射光譜，分析了Li+、Na+和Eu3+的摻雜濃度以及溫度對(duì)合成樣品發(fā)光強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示，Li+、Na+摻雜摩爾分?jǐn)?shù)分別為2.5%和1%，在800 ℃空氣中煅燒2 h制備的Lu2O3∶5%Eu3+樣品的發(fā)光最強(qiáng)。在同樣條件下，比單摻2.5%Na+的樣品發(fā)光強(qiáng)度提高1.89倍，比單摻2.5%Li+的樣品發(fā)光強(qiáng)度提高3.97倍，比不摻Li+和Na+的樣品發(fā)光強(qiáng)度提高6.43倍。

閃爍體； Li+、Na+和Eu3+共摻Lu2O3； 高溫固相法； 發(fā)光強(qiáng)度

1 引 言

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用原料為L(zhǎng)u2O3(99.99%)、Eu2O3(99.99%)、NaOH(96%)和Li2CO3(化學(xué)純)。本實(shí)驗(yàn)采用高溫固相法來制備樣品。依據(jù)文獻(xiàn)[13]，Eu3+摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，Lu2O3∶Eu3+納米粉末的發(fā)光最強(qiáng)。按該摻雜濃度，將表1所列各種藥品用AL104電子天平稱量好。用瑪瑙研缽把混合物研磨40 min后，裝入石英玻璃坩堝，放入PHOENIX微波馬弗爐在空氣中800 ℃下煅燒2 h。煅燒完成后，把石英玻璃坩堝放在冷凝臺(tái)上使樣品迅速驟冷至室溫。

表 1 Li+、Na+和Eu3+共摻Lu2O3材料的制備

Tab.1 Preparation of Li+, Na+and Eu3+co-doped Lu2O3materials

序號(hào)Eu3+Na+Li+15%0%0%25%2.5%0%35%0%2.5%45%1%2.5%

使用XRD-6100衍射儀對(duì)粉體進(jìn)行物相分析，用SUPRA 55VP掃描電鏡觀測(cè)粉體的表面形貌，用FLS920熒光光譜儀測(cè)量樣品的激發(fā)光譜與發(fā)射光譜。所有測(cè)試都在室溫下進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

使用ZF-2型三用紫外儀觀察按表1制備好的4個(gè)樣品。在波長(zhǎng)為253.7 nm的紫外儀照射下，1號(hào)樣品呈現(xiàn)淺粉色熒光，2號(hào)樣品呈現(xiàn)粉色熒光，3號(hào)樣品呈現(xiàn)紅色熒光，4號(hào)樣品呈現(xiàn)強(qiáng)紅色熒光。在波長(zhǎng)為365.0 nm的紫外儀照射下，1～3號(hào)樣品均無熒光，4號(hào)樣品呈現(xiàn)粉色熒光。室溫下4個(gè)樣品均為米白色。

3.1 樣品的XRD圖譜

圖1是Lu2O3∶5%Eu3+,2.5%Li+,1%Na+在空氣中煅燒2 h獲得的粉末樣品的XRD圖譜。與標(biāo)準(zhǔn)的JCPDS卡片對(duì)比，樣品的XRD圖譜中的衍射峰位置與標(biāo)準(zhǔn)卡片吻合。由此可知，Li+、Na+和Eu3+取代了部分Lu3+或位于填隙位，完全摻入Lu2O3基質(zhì)晶格，說明Li+、Na+和Eu3+陽離子的摻入不影響Lu2O3的立方相結(jié)構(gòu)[14]。

圖1 Li+、Na+和Eu3+共摻Lu2O3 的X射線衍射圖譜。Fig.1 XRD patterns of Li+, Na+ and Eu3+ co-doped Lu2O3.

3.2 樣品的表面形貌

圖2是Lu2O3∶ 5%Eu3+,2.5%Li+,1%Na+在空氣中800 ℃下煅燒2 h獲得的納米粉體在不同位置的SEM照片。其中(a)、(b)兩形貌是將少量的樣品用無水乙醇稀釋并進(jìn)行30 min的超聲振蕩后得到的SEM 照片。而(c)、(d)兩形貌是用牙簽沾取少量的樣品抖在導(dǎo)電膠帶上得到的SEM 照片。(a)、(b)的分散性較好，(c)、(d)的分散性相對(duì)來說一般。樣品接近球形，顆粒度約為50～80 nm。

圖2 Li+、Na+和Eu3+共摻Lu2O3的形貌。

3.3 激發(fā)光譜和發(fā)射光譜

圖3是所合成的1～4號(hào)樣品在611 nm波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)下的激發(fā)光譜。250 nm附近的激發(fā)帶歸屬于O2-的2p軌道向Eu3+的4f軌道的躍遷(CTB)[15]，說明基質(zhì)氧化镥對(duì)發(fā)光有貢獻(xiàn)。波長(zhǎng)大于280 nm的弱激發(fā)峰是由Eu3+自身的4f層的f-f能級(jí)躍遷所引起的。摻雜不同離子可以影響激發(fā)峰的位置，基質(zhì)氧化镥傳遞到Eu3+的能量多少由波峰位置的位移來體現(xiàn)[16]。與無摻雜樣品的激發(fā)峰相比，2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)樣品的激發(fā)峰位置基本不變，但它們的躍遷峰值隨序號(hào)1～4在依次增加，說明基質(zhì)傳遞給Eu3+的能量在增加。

圖3 不同摻雜濃度的Li+、Na+和Eu3+共摻Lu2O3的激發(fā)光譜。

Fig.3 Excitation spectra of Li+, Na+and Eu3+co-doped Lu2O3with different concentrations.

圖4 不同摻雜濃度的Li+、Na+和Eu3+共摻Lu2O3的發(fā)射光譜。

Fig.4 Emission spectra of Li+, Na+and Eu3+co-doped Lu2O3with different concentrations.

溫度對(duì)Lu2O3∶5%Eu3+,2.5%Li+,1%Na+粉末的發(fā)光強(qiáng)度影響如圖5所示。當(dāng)煅燒溫度從600 ℃上升到800 ℃時(shí)，樣品的發(fā)光強(qiáng)度明顯提高；而當(dāng)煅燒溫度從800 ℃上升到1 000 ℃時(shí)，樣品的發(fā)光反而減弱。當(dāng)煅燒溫度較低時(shí)，只有少量的Eu3+能進(jìn)入到Lu2O3的晶格結(jié)構(gòu)中，所以隨著溫度的升高，反應(yīng)完全，發(fā)光中心Eu3+濃度增加，發(fā)光增強(qiáng)。當(dāng)溫度升高到800 ℃時(shí)，Lu2O3∶5%Eu3+,2.5%Li+,1%Na+粉末的發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到最大。溫度繼續(xù)升高時(shí)，過高的溫度導(dǎo)致晶粒繼續(xù)長(zhǎng)大，晶粒之間的接觸面積增加，容易形成較大的團(tuán)聚體顆粒，發(fā)光強(qiáng)度反而下降。

圖5 Lu2O3∶5%Eu3+,2.5%Li+,1%Na+在不同溫度下的發(fā)光強(qiáng)度

Fig.5 Emission intensity of Lu2O3∶5%Eu3+,2.5%Li+, 1%Na+calcined at different temperature

4 結(jié) 論

使用高溫固相法制備了不同摻雜濃度的Li+、Na+和Eu3+共摻的Lu2O3納米粉體，Li+、Na+和Eu3+陽離子的摻入不影響Lu2O3的立方相結(jié)構(gòu)。樣品接近球形，顆粒度約為50～80 nm。當(dāng)Li+、Na+摻雜濃度為2.5%、1%時(shí)，在溫度為800 ℃的空氣中煅燒2 h制備的Lu2O3∶5%Eu3+樣品的發(fā)光最強(qiáng)，其發(fā)光強(qiáng)度是同一條件下單摻2.5%Na+的1.89倍，是單摻2.5%Li+的3.97倍，是不摻Na+和Li+樣品的6.43倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻雜Li+、Na+可以有效改善基質(zhì)材料的能量吸收和轉(zhuǎn)移，提高Lu2O3∶Eu3+熒光粉的發(fā)光效率。

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庹娟(1990-)，女，四川廣安人，碩士研究生，2015年于新疆師范大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事納米發(fā)光材料的研究。

E-mail: 1498970687@qq.com

王林香(1979-)，女，甘肅秦安人，博士，副教授，2010年于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事納米發(fā)光材料的研究。

E-mail: wanglinxiang23@126.com

Preparation and Luminescence Properties of Li+, Na+and Eu3+Co-doped Lu2O3

TUO Juan1,2,3, WANG Lin-xiang1,2,3*, LI Min1,2,3

(1.DepartmentofPhysics,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China; 2.KeyLaboratoryofNovelLuminescentMaterialsandNanostructures,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China; 3.KeyDisciplinaryAreasofTheTheoreticalPhysicsofTheXinjiangAutonomousRegion,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:wanglinxiang23@126.com

Li+, Na+and Eu3+co-doped Lu2O3phosphors were synthesized by the high temperature solid-state reaction. The structure of the sample was characterized by XRD, the morphology was observed with scanning electron microscope, the excitation spectra and emission spectra were measured, and the effects of Li+, Na+and Eu3+dopingconcentration and the calcined temperature on the luminescence intensity of the synthesized samples were analyzed. The results show that the emission of the sample with 2.5%Li+, 1%Na+and 5%Eu3+co-doped Lu2O3is the strongest in the four samples calcined at 800 ℃ in the air for 2 h. In the same condition, the luminous intensity of Lu2O3∶5%Eu3+,2.5%Li+, 1%Na+is 1.89 times than that only with 2.5%Na+doping, 3.97 times than that only with 2.5%Li+doping, and 6.43 times than that without Li+and Na+doping.

scintillator; Li+, Na+and Eu3+co-doped Lu2O3; high temperature solid-state method; luminous intensity

1000-7032(2016)01-0028-05

2015-09-11；

2015-11-16

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金(2012211B16)資助項(xiàng)目

O482.31

A

10.3788/fgxb20163701.0028