用乙醚處理共沉淀法合成YAG:Ce熒光粉

王佳諾

【摘要】采用共沉淀法合成了摻鈰的釔鋁石榴石（YAG：Ce）熒光粉，加入乙醚作為均勻分布的分散劑。 以NH4HCO3為沉淀劑，（NH4）2SO4為電穩(wěn)定劑，制備了YAG：Ce前驅(qū)體，并與乙醚混合。 隨后，在900℃煅燒過處理的YAG：Ce前驅(qū)體，得到熒光粉的最終產(chǎn)物。

【關(guān)鍵詞】YAG;共沉淀法;乙醚

1、引言

在照明器件和光學(xué)顯示領(lǐng)域，發(fā)光二極管（LED）的應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注，它是一種新型的綠色光源，必將成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。在白色發(fā)光二極管中，摻鈰釔鋁石榴石材料（YAG：Ce）由于其化學(xué)和物理性質(zhì)穩(wěn)定而得到廣泛應(yīng)用。

近些年來合成YAG：Ce熒光粉用乙醇作為流變?nèi)軇＿@種方法是在YAG：Ce前驅(qū)體加入乙醇，混合至流變相，在弱還原氣氛中燃燒，得到目標(biāo)熒光粉。但所得熒光粉的發(fā)光強(qiáng)度稍有提高，共沉淀流變法的發(fā)光機(jī)理尚未研究。YAG：Ce熒光粉也報(bào)道了用甘油或醋酸處理的熒光粉，但在發(fā)光強(qiáng)度或功率分布等方面存在不足。

乙醚是一種常用的溶劑，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，溶解性好，沸點(diǎn)比乙醇低。本文在YAG：Ce前驅(qū)體中加入了乙醚，研究了乙醚在前驅(qū)體合成中的作用機(jī)理，同時(shí)對(duì)熒光粉的相組成、形貌和發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

2、實(shí)驗(yàn)

前驅(qū)體為Y（NO3）3·6H2O、Ce（NO3）3·6H2O和Al（NO3）3·9H2O、NH4HCO3、（NH4）2SO4、CH3OCH3、BaF2。反應(yīng)物Y（NO3）3·6H2O、Al（NO3）3·9H2O和Ce（NO3）3·5H2O的摩爾比為3：5：0.06。采用濃度為1.2mol/L的碳酸氫銨水溶液作為沉淀劑。將混合鹽溶液緩慢加入沉淀劑溶液中，以5ml/min的速度輕輕攪拌，加入反應(yīng)物后，將所得溶液陳化30min，然后用抽濾器過濾。用蒸餾水洗滌沉淀除去雜質(zhì)，然后用乙醇洗滌，以防止干燥過程中嚴(yán)重結(jié)塊。沉淀在60℃干燥36h，研磨后得到前驅(qū)體。

前驅(qū)體經(jīng)乙醚處理，在500～600℃弱還原氣氛中煅燒2～5h，再加入BaF3研磨均勻，再在900℃弱還原氣氛下煅燒3h，在80℃下干燥24h，于是獲得了YAG：Ce熒光粉。

3、結(jié)果和討論

3.1 TG-DSC分析

通過TG-DSC分析研究了前驅(qū)體的熱行為。

TG曲線表明總失重約為37%。在300℃以下的失重是由物理吸附的水和乙醇脫水引起的，在300-600℃之間，前驅(qū)體粉末中的碳酸鹽分解會(huì)導(dǎo)致失重。

DSC曲線由吸熱峰和放熱峰組成。507.1℃的吸熱峰是由碳酸鹽的分解引起的，在932.1℃時(shí)的放熱峰可歸因于晶化和晶體生長(zhǎng)。

當(dāng)溫度高于1000℃時(shí)，TG和DSC曲線沒有變化，表明前驅(qū)體粉體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閅AG立方晶相。由于DSC曲線中的放熱峰在結(jié)晶后往往滯后，因此根據(jù)TGA結(jié)果確定前驅(qū)體的煅燒溫度在900℃左右。

3.2 FT-IR分析

研究了在900℃加熱的樣品的紅外光譜。3470cm-1的寬峰可能是由包括水和鋁/釔羥基的O-H鍵的拉伸振動(dòng)引起的。1638cm-1處較弱的吸收帶來自于O-H鍵的彎曲振動(dòng)。它也是由空氣中的水吸收引起的。在約1522cm-1處的峰值可歸因于NH4+在鍵拉伸模式下。1416cm-1處的吸收帶可能是由合成粉末中的二氧化碳吸收引起的。另一個(gè)峰值1127cm-1歸因于SO42-的振動(dòng)。因此，可以確定前驅(qū)體是碳酸鹽和硝酸鹽的Y3+和Al3+化合物。當(dāng)溫度為900℃時(shí)，其紅外光譜YAG：Ce樣品由于AlO6八面體的伸縮振動(dòng)，在740cm-1處出現(xiàn)了清晰的峰值，并且在471cm-1處出現(xiàn)了與AlO4四面體拉伸相關(guān)的吸收峰，而在588和534cm-1處的峰值代表了Y-O金屬氧振動(dòng)的特征。這些結(jié)果表明YAG：Ce指紋與前面討論的熱分析一致。

3.3 XRD分析

X射線衍射圖分析了YAG：Ce樣品在900℃下煅燒用乙醚處理和用乙醇處理。樣品的兩個(gè)衍射圖譜表明，所有峰均對(duì)應(yīng)于YAG相（ICSD#20090）的立方石榴石結(jié)構(gòu)，沒有發(fā)現(xiàn)其他晶體，如YAM（單斜）或YAP（鈣鈦礦）。在摻雜Ce3+離子的樣品中，晶體YAG相的形成沒有明顯的差異，說明在相同的價(jià)態(tài)和半徑下，Y3+離子的某些位置可以被Ce3+離子取代。

YAG：Ce的形成率是主要受Y3+和Al3+的擴(kuò)散控制，提高Y3+和Al3+的擴(kuò)散速度可以提高YAG相的生成速率。在Al（NO3）3和Y（NO3）3的混合溶液中，Y3+和Al3+在原子水平上混合。因此，在沉淀過程中，Y3+和Al3+加入前驅(qū)體沉淀體系時(shí)始終保持原子級(jí)混合。加入乙醚或乙醇后，這種混合可以更均勻。在較高的煅燒溫度下，Y3+與Al3+之間的距離大大縮短。在傳統(tǒng)的固相反應(yīng)中，要獲得純YAG相，需要較高的燒成溫度（高于1600℃）或延長(zhǎng)燒成時(shí)間。然而，本文所討論的化學(xué)過程在原子水平上實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)物陽離子的緊密混合，從而導(dǎo)致反應(yīng)速率的增加和合成溫度的降低。

4、結(jié)論

采用共沉淀法制備了化學(xué)成分均勻的YAG：Ce前驅(qū)體粉末。900℃煅燒冷卻后，YAG：Ce熒光粉得到了近球形的形貌，分布良好。與用乙醇處理YAG：Ce熒光粉相比，用乙醚處理制備的YAG：Ce熒光粉發(fā)光材料分布更均勻，尺寸更小，發(fā)光強(qiáng)度提高20%。同時(shí)，分析了乙醚作為溶劑的反應(yīng)機(jī)理。由于前驅(qū)體粒子溶解在乙醚中，乙醚中的空間位阻效應(yīng)以及乙醚中存在兩對(duì)自由電子，使混合物均勻，粘度降低，從而有效地減少了熒光粉顆粒的團(tuán)聚。因此，YAG：Ce熒光粉形態(tài)好，分布廣。合成法YAG：Ce與有機(jī)溶劑處理是YAG熒光粉產(chǎn)品的一項(xiàng)潛在技術(shù)。