高壓光傳感材料SrB4O7∶Sm2+的制備及其發光性能

劉永剛，陳百利

(1.西南科技大學分析測試中心，四川 綿陽 621910； 2.四川輕化工大學化學與環境工程學院，四川 自貢 643000；3.山東大學 材料科學與工程學院，濟南 250061)

在現代工業和科學研究中，高壓必不可少。例如軍用武器的爆炸性評估，地質/生物/深海/外太空研究，超精密制造，極端環境中的/電/磁/光行為，以及壓力驅動的合成反應(即人造鉆石的合成)等會涉及高壓環境[1-8]。因此，實時、準確、快速地檢測高壓已成為重要問題，且具有重要的科學意義和應用價值。

紅寶石(Ruby)因其在常壓下具備強度高、壓力系數大(0.365 nm/GPa)，在壓力校準中具有便利性佳，測試快速準確等優點，被廣泛用作金剛石砧座(DAC)中的壓力傳感器[1,4,9]。紅寶石材料在常溫常壓下具有雙峰(R1：694 nm，R2：692 nm)。然而，當溫度高于300 ℃時，兩條相鄰的R1和R2線變寬，雙峰重合難以區分，從而降低了壓力測量的準確性，而且在非靜水條件下出現同樣的展寬，使得壓力測量非常不可靠[4-6,10-12]。此外，其能檢測的最大壓強極限為100 GPa[4-6,10-11]，這限制了其在高壓環境中的應用。

新型高溫高壓光學傳感材料SrB4O7∶Sm2+，與紅寶石相比，其單線熒光譜5D0-7F0的壓力強度是紅寶石的兩倍，而且其發射峰與紅寶石一樣都出現在685.41 nm，其譜線非常尖銳(0.125 nm，是紅寶石的1/5)、背底弱、比強度高、壓力系數大、溫度系數小[4-6]。因此，SrB4O7∶Sm2+的研究備受關注。Chaoshuai Zhao等[4]用固相法制備了SrB4O7∶Sm2+，并研究了其5D0-7F0線半峰全寬(FWHM)隨著溫度的變化情況。但是，固相法制備的SrB4O7∶Sm2+樣品中往往含有少量SrBxOy雜質，影響測壓性能[4,13]。Marcin Runowski等[14]用溶膠-凝膠法制備了SrB4O7∶Sm2+，該法制備的樣品純度也不高。我們之前采用溶膠-凝膠法制備了SrB4O7∶Sm2+，并研究了其校壓性能。結果表明，其5D0-7F0熒光線的壓力位移在室溫，靜液壓和非靜液壓能分別校準至48 GPa和127 GPa。其屈服強度比紅寶石更小，并且具有完美的光譜特征(小的FWHM，非靜水高壓下具有單峰)[9]。但是溶膠-凝膠法制備的SrB4O7∶Sm2+純度不高，性能發揮受到限制。因此，提高SrB4O7∶Sm2+的結晶度具有重要的意義。文獻報道，水熱法合成可以控制晶體結構、結晶形態和晶粒純度[15-16]。

本工作用水熱合成法制備了高溫標壓材料SrB4O7∶Sm2+，并與高溫固相法、溶膠-凝膠法制備的進行對比，對其結構進行了表征分析，并研究了水熱法制備的SrB4O7∶Sm2+熒光測壓性能。

1 實驗

實驗分別采用高溫固相[17]、溶膠-凝膠[18]、水熱合成法[19]制備了SrB4O7∶Sm2+。3種方法都在850 ℃下煅燒一定時間(1 h、3 h、5 h)，摻雜濃度均為5 mol %。

1.1 樣品制備

1) 高溫固相法(SS)

化學配比的SrCO3(AR級)、H3BO3(AR級)(過量2 w%)，適量Sm2O3混合研磨均勻(加入少量乙醇便于研磨)，在600 ℃下預燒4 h，取出研磨，再在850 ℃下煅燒1 h、3 h、5 h。

2) 溶膠-凝膠法(SG)

化學配比的SrCO3，H3BO3(過量3w%)，和Sm2O3(99.99%)。溶解H3BO3后，加入等體積的硝酸；再加入SrCO3，Sm2O3和適量檸檬酸，水浴攪拌加熱形成凝膠。在可控電爐上加熱自燃，然后放入高溫爐中煅燒1 h、3 h和5 h。

3) 水熱合成法(SBE)

化學配比為1∶3的SrCl·6H2O(AR級)和NH4HB4O7·3H2O(AR級)，水浴攪拌加熱制備SrB6O10·5H2O；化學配比1∶1的SrCl-6H2O和NH4HB4O7·3H2O，水浴攪拌加熱制備SrB2O4·4H2O；將制備好的粉體用去離子水和無水乙醇各洗滌粉體兩遍，烘干；稱取化學配比1∶1的SrB6O10·5H2O、SrB2O4·4H2O和Sm2O3混合研磨均勻，在高溫爐600℃下預燒4 h，取出研磨，再放入高溫爐中煅燒1 h、3 h和5 h。

1.2 樣品表征及性能測試

樣品結構表征使用日本model Rigaku RU-200BX型X射線衍射儀進行測試，工作電流30 mA，工作電壓40 kV掃描步長0.02°。形貌分析采用日本型號為SPA-300HV的原子力顯微鏡進行。采用激發波長為532 nm激光對SrB4O7∶Sm2+進行了常壓熒光測試和高壓(6 GPa、8 GPa、10 GPa、12 GPa、19 GPa)熒光測試。

2 結果與討論

2.1 不同制備方法對產物的晶相或純度影響

1) 高溫固相法

將SrCO3，H3BO3和Sm2O3的混合物在850 ℃下分別煅燒1 h、3 h和5 h，產物的XRD圖譜如圖1所示。產物中都含有一定量的SrB2O4，這是由于在高溫條件下H3BO3揮發所致。隨著煅燒時間的延長，SrB4O7的結晶度有了顯著提高。2) 溶膠-凝膠法

圖1 高溫固相法制備SrB4O7∶Sm2+的XRD圖譜

將凝膠后的試樣在高溫爐中850 ℃下分別煅燒1 h、3 h和5 h后，得到的XRD圖譜如圖2所示。從圖2可以看出，當煅燒時間為1 h時，產物中SrB2O4的特征峰比較明顯(SrB2O4標準卡片00-033-1321)，且SrB4O7的結晶度也較低；隨著煅燒時間的延長SrB2O4的含量有了明顯的降低，同時SrB4O7的結晶度也得到了提高；煅燒5 h后只有微量的SrB2O4存在。

圖2 溶膠-凝膠法制備的SrB4O7∶Sm2+的XRD圖譜

3) 水熱合成法

將用液相沉淀法制備的SrB6O10·5H2O和SrB2O4·4H2O按照1∶1比例混合，再加入Sm2O3攪拌均勻后在850 ℃下煅燒1 h、3 h和5 h后得到的XRD圖譜如圖3所示。從圖3可以看出，在煅燒1 h時，產物中主要為SrB4O7，但同時還有SrB2O4和SrB6O10。隨著延長煅燒時間，SrB4O7的結晶度得到大幅提高，3 h后仍有微量的SrB2O4。5 h后，能夠得到純相的SrB4O7∶Sm2+，并且SrB4O7∶Sm2+的結晶度較理想。

圖3 水熱法合成的SrB4O7∶Sm2+的XRD圖譜

通過XRD分析表明，高溫固相法制備的熒光粉含有較多雜質。主要原因是高溫環境下H3BO3的揮發造成。因此，在制備時候要過量稱取H3BO3(1%～3%)，以避免生成SrB2O4的含量太多。溶膠-凝膠法和水熱合成法制備的SrB4O7∶Sm2+較純，其中水熱合成法制備的SrB4O7∶Sm2+純度最高。

2.2 形貌分析

用掃描探針顯微鏡分別對高溫固相法、溶膠-凝膠法、水熱合成法3種方法制備的SrB4O7∶Sm2+進行形貌分析，其形貌如圖4所示。

圖4 制備的SrB4O7∶Sm2+煅燒5 h后的形貌

從圖4(a)～圖4(c)中可以看出，高溫固相法制備的晶體粒徑最大(100 nm左右)，形狀不規整，溶膠凝膠法制備的粒徑在80 nm左右，形狀較為規整，水熱合成法制備的晶體粒徑最小(50 nm左右)，形狀也最為規整。作為高壓熒光探針材料時，由于用量很少，填充的顆粒越小，熒光效應越明顯。水熱合成法制備的SrB4O7∶Sm2+可作為理想的熒光探針材料。

2.3 高壓熒光分析

圖5 不同壓力下SrB4O7∶Sm2+的5D0-7F0躍遷熒光光譜

P=4.016*Δλ[1+0.008 36·

(±0.009 59)Δλ]/[1+0.021 8(±0.11)Δλ]

(1)

式中：P為壓力(GPa)；Δλ為頻移(nm)。

利用SrB4O7∶Sm2+熒光材料隨壓力變化發生頻移的光學特性，可以對極端條件下的超高壓進行標定。克服了熒光材料紅寶石在一定壓力條件下R1線和R2線重合而影響壓力測量的精確性。

3 結論

本實驗通過不同的方法制備了SrB4O7∶Sm2+，結果表明水熱合成法制備的SrB4O7∶Sm2+純度最高、而且晶體結晶度好，在850 ℃下的最佳燒結時間為5 h。SrB4O7∶Sm2+具有發射峰單一、強度大、半高寬窄，且發射峰隨壓力的變化有比較顯著頻移，同時峰的半高寬始終較窄等特點，可以作為紅寶石的優良替代物，對高壓進行精確的測量。