稀土摻雜納米材料的制備及研究

姜霽濤

(甘肅稀土新材料股份有限公司，甘肅 白銀 730922)

根據(jù)目前的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一般對(duì)晶粒尺寸在納米級(jí)的材料稱為納米材料。納米材料具有十分多的優(yōu)點(diǎn)是納米材料在各行各業(yè)的應(yīng)用當(dāng)中都有十分重要的一個(gè)體現(xiàn)，尤其納米材料在電磁學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域，它具有十分明顯的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，自從20世紀(jì)60年代實(shí)現(xiàn)了稀土氧化物的高純化之后，稀土發(fā)光材料有了一個(gè)十分大的進(jìn)展。目前對(duì)于納米材料研究的一個(gè)重要的方向是對(duì)稀土摻雜納米材料。因?yàn)橄⊥翐诫s納米材料它具有十分明顯的光學(xué)性能和在熒光生物標(biāo)記方面有十分顯著的優(yōu)勢(shì)。

1 稀土摻雜納米材料制備方法

（1）液相法。液相法制備稀土摻雜納米材料是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室中普遍采用的方法，通過(guò)溶液中不同的離子和分子發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)、絡(luò)合反應(yīng)、水解反應(yīng)或聚合反應(yīng)產(chǎn)生固體沉淀，對(duì)反應(yīng)過(guò)程中的溫度、反應(yīng)物濃度以及攪拌速度等進(jìn)行調(diào)整和控制，便能夠得到尺寸在納米級(jí)別的固體顆粒，液相法操作過(guò)程比較簡(jiǎn)單，原料成本低，控制效果好，產(chǎn)物純度高，在實(shí)際材料制備過(guò)程中有十分廣泛的應(yīng)用。主要的液相法制備稀土摻雜納米材料方法如下所示。

①水熱法。在高壓釜中以水溶液為反應(yīng)體系，加熱到臨界溫度，產(chǎn)生高壓環(huán)境進(jìn)行材料制備的方法為水熱法，水熱法能夠有效合成超細(xì)微粉，反應(yīng)速度快，安全性好。合成的產(chǎn)品純度較高，分散性好，且無(wú)需做高溫處理，能夠防止粉體硬團(tuán)聚。但是相對(duì)于其他方法來(lái)說(shuō)，水熱法需要用到高壓設(shè)備，制備成本較高，所得產(chǎn)物的發(fā)光能力較弱，因此利用水熱法進(jìn)行的稀土摻雜納米材料制備和改進(jìn)工作還存在一定的難度[1]。②沉淀法。沉淀法在進(jìn)行稀土摻雜納米材料制備方法當(dāng)中具有十分多的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，它能夠大大的降低成本并且它的制作工藝也比較簡(jiǎn)單，所需要的時(shí)間也十分的短，經(jīng)常應(yīng)用在工業(yè)化的生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中。但是在進(jìn)行生產(chǎn)的過(guò)程當(dāng)中，由于沉淀法得到的納米材料，它的顆粒直徑比較大，產(chǎn)物純度十分的低。這也嚴(yán)重的制約了沉淀法的使用。因此還需要通過(guò)其他更多的方法來(lái)更好的研究對(duì)稀土摻雜納米材料的制備。③溶膠-凝膠法。溶膠-凝膠法是一種常用的納米材料制備方法，把無(wú)機(jī)鹽類或者金屬醇鹽協(xié)調(diào)水解的到均相溶液中，加入鰲合劑、催化劑、溶劑等形成無(wú)流動(dòng)性的水溶膠，然后將其轉(zhuǎn)化為均勻凝膠，除去凝膠中的酸根、水和有機(jī)物并進(jìn)行熱處理和干燥，就可以得到納米粉體材料。與其他制備方法相比，溶膠凝膠過(guò)程更容易控制，摻雜過(guò)程簡(jiǎn)單，比較適合于制備粒徑小，純度高，化學(xué)活性高，分布窄的非晶態(tài)材料。但溶膠-凝膠法相對(duì)來(lái)說(shuō)制備時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，成本較高，反應(yīng)過(guò)程不容易控制，最終制備納米顆粒的質(zhì)量得不到有效保障，從而會(huì)影響最終摻雜的效果[2]。④燃燒法。燃燒法將有機(jī)燃料和金屬的硝酸鹽互相混合于水溶液當(dāng)中，蒸發(fā)水分，發(fā)生爆炸性的化學(xué)反應(yīng)，爆炸產(chǎn)生的熱量會(huì)加快產(chǎn)物的生成，抑制顆粒的生長(zhǎng)，從而能夠得到納米尺寸的材料。材料尺寸可以通過(guò)改變反應(yīng)物的比例進(jìn)行調(diào)整，燃燒法是一種高效節(jié)能的合成方法，燃燒的氣體可以防止稀土材料中各種過(guò)渡元素被氧化，合成溫度較低，安全性好，有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。將不同濃度的氨基酸和硝酸稀土在蒸發(fā)皿中進(jìn)行充分的混合，可以得到前驅(qū)體溶液，加熱至迅速燃燒，燃燒結(jié)束之后會(huì)得到白色疏松的泡沫狀固體，該固體具有良好的光學(xué)性能，制得的產(chǎn)物純度較高，呈泡沫狀疏松的狀態(tài)，容易粉碎。但通過(guò)這種方法制備的稀土摻雜材料的發(fā)光亮度不容易受到破壞，穩(wěn)定性較高，可以有效節(jié)約能源資源，降低生產(chǎn)成本。但燃燒法會(huì)在燃燒的過(guò)程中產(chǎn)生氨等不良?xì)怏w，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的危害，所以燃燒法在實(shí)際工業(yè)中應(yīng)用的范圍依然存在一定的局限。⑤微乳液法。在此處還要介紹的一種方法就是微乳液法。通過(guò)兩種目前互不相溶的溶劑，在表面活性劑的幫助之下形成一種均勻穩(wěn)定的乳液。來(lái)更好的調(diào)控溶劑的濃度。

微乳液法可以將整個(gè)反應(yīng)過(guò)程控制在一個(gè)十分細(xì)小的球形液滴之內(nèi)避免顆粒間的團(tuán)聚很好的，改善了前面對(duì)于沉淀法制備的一個(gè)缺點(diǎn)。微乳液法制備的納米，它的力度可以能夠達(dá)到一個(gè)很好的有效和控制，并且能夠更容易的得到分布窄并且分散性好的一個(gè)材料相比較其他的方法有著十分明顯的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，但是它的表面活性劑在某種程度上會(huì)影響納米的質(zhì)量。

（2）固相法。目前固相法是制備納米的一項(xiàng)比較傳統(tǒng)的一個(gè)工藝，它的制備方法十分的簡(jiǎn)單成本也十分的低，但是他的產(chǎn)量確實(shí)很高，在實(shí)際稀土摻雜納米材料制備的過(guò)程當(dāng)中，具有十分廣泛的一個(gè)應(yīng)用，目前固相法主要包括兩種納米材料制備的方法，但是這兩種方法對(duì)于納米顆粒的分散性都不好，所以說(shuō)將會(huì)最終的影響稀土摻雜納米材料發(fā)光的性能。

（3）氣相法。氣相法是常用的制備納米材料的方法，也被廣泛用于制備稀土摻雜納米材料。氣相法直接利用氣體或其他方式，把反應(yīng)原料轉(zhuǎn)化為氣體，在氣體條件下完成各種物化反應(yīng)，然后冷凝得到超細(xì)固體顆粒。氣象法原料精煉容易，粒度分布均勻，粒度大小調(diào)整簡(jiǎn)單，產(chǎn)物純度較高。但是氣相法往往需要借助激光設(shè)備生產(chǎn)，激光器相對(duì)來(lái)說(shuō)效率較低，電能消耗大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)稀土摻雜納米材料的規(guī)模化生產(chǎn)。

2 稀土摻雜納米材料未來(lái)發(fā)展方向

稀土摻雜納米材料具有很多優(yōu)越的性能，在各種領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力，尤其是在一些發(fā)光材料領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展尤其是納米材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，目前已經(jīng)有很多種方法可以制備出不同組成、不同結(jié)構(gòu)以及不同尺寸的納米發(fā)光材料。同時(shí)，測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步也為稀土摻雜納米材料的檢測(cè)和探究提供了技術(shù)支持。研究人員可以利用多種表征手段對(duì)稀土摻雜納米材料的光學(xué)性能進(jìn)行表征，明確所得材料的各種參數(shù)，為后續(xù)材料的應(yīng)用進(jìn)行指導(dǎo)。在實(shí)際進(jìn)行稀土摻雜納米材料的制備過(guò)程中也存在著各種各樣的問(wèn)題，比如納米顆粒中的激活劑的分凝和分布問(wèn)題，電子-聲相互作用和體材料的不同問(wèn)題，越過(guò)界面能量傳遞機(jī)制的變化問(wèn)題等。在進(jìn)行稀土摻雜納米材料制備和應(yīng)用過(guò)程中，要不斷利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和制備復(fù)合技術(shù)手段，發(fā)展高分辨率的光譜研究，建立起系統(tǒng)科學(xué)的稀土摻雜納米材料制備與應(yīng)用體系，不斷加強(qiáng)對(duì)制備方法的探索和創(chuàng)新，從而能夠利用最小的能耗在最短的時(shí)間制備出顆粒小、分散均勻、高晶度、發(fā)光性能好、穩(wěn)定性高的材料。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，稀土摻雜納米材料在光電子學(xué)和電子學(xué)的發(fā)展過(guò)程中有至關(guān)重要的作用，納米摻雜材料具有很多獨(dú)特的性能，解決了很多行業(yè)采用常規(guī)方法無(wú)法解決的問(wèn)題，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值，也是未來(lái)科技發(fā)展的重要方向。本文主要通過(guò)對(duì)稀土摻雜納米材料的主要制備方法進(jìn)行研究，指出了稀土摻雜納米材料未來(lái)的發(fā)展方向和發(fā)展趨勢(shì)，希望能夠提高納米材料摻雜效率，保證稀土摻雜納米材料的性能，為相關(guān)行業(yè)的研究提供一定的參考。