摻雜Sm3+的氧化鈰制備發(fā)光材料

王大忠，侯 磊，何財(cái)源，王鑫東，唐小芩，蔡麗娟

（西昌學(xué)院理學(xué)院 四川 西昌 615000）

1 引言

稀土發(fā)光材料由于實(shí)際生活各不相同的需要，對(duì)材料的各方面的物理化學(xué)性能也提出了各種各樣的要求，然而材料的性能與制作方法息息相關(guān)[1]。因此研究具有一定的選擇性和定向性，通過(guò)用環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的方法對(duì)稀土發(fā)光材料的合成有重要的研究意義[2]。本文用熔鹽法制備SrCeO3：Sm3+的發(fā)光顆粒。

2 實(shí)驗(yàn)藥品與設(shè)備

藥劑：硝酸鈰、氧化釤、硝酸、硝酸鉀、草酸、檸檬酸、聚乙二醇、氨水、鹽酸。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：分析天平、數(shù)顯恒溫水浴鍋、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、低真空燒結(jié)爐、紫光燈。

3 原料與方法

稀土發(fā)光材料的制備合成方法會(huì)很大程度上影響到光學(xué)性質(zhì)[3]。隨著新的發(fā)光材料的涌現(xiàn)，其合成方法也與時(shí)俱進(jìn)[4]。常見(jiàn)稀土發(fā)光材料的合成方法有以下幾種[5]：溶膠-凝膠法、高溫固相反應(yīng)法、熔鹽法、燃燒法和微波合成法等[6]。本文采用熔鹽法合成發(fā)光材料的實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖1。

圖1 熔鹽法合成的流程圖

熔鹽法的基本原理及工藝流程：熔鹽法是先把鹽同反應(yīng)物按一定的比例混合均勻，高溫加熱熔化，在鹽的熔體中進(jìn)行反應(yīng)[7]，冷卻后去除融熔鹽即可得所需的產(chǎn)物[8]。

SrCeO3：Sm3+粉體的制備：按化學(xué)計(jì)量比，精確稱取氧化釤和硝酸鈰，將其分別溶于硝酸溶液和蒸餾水中并攪拌，待其充分溶解后再將兩種硝酸鹽溶液充分混合，溶液呈現(xiàn)透明無(wú)色。上述溶液在攪拌下緩慢將草酸溶液滴加到溶液中，滴加完后，在溫度80 ℃的水浴鍋中進(jìn)行陳化反應(yīng)，得到乳白色的沉淀物，之后過(guò)濾洗滌，在130 ℃烘箱中干燥8 h得到白色粉末；按照n(Ce):n(K)=l:3在粉末中加入硝酸鉀，在研缽中充分磨混合后，在800 ℃焙燒3 h，將所得產(chǎn)物用去離子水進(jìn)行多次洗滌、過(guò)濾、干燥，得粉紅色CeO2:Sm3+系列發(fā)光粉末。反應(yīng)過(guò)程如下：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

4.1 前驅(qū)體粉末的熱分析和熱分解溫度的確定

前驅(qū)體粉末熱分析條件，升溫速率10 ℃/min，溫度區(qū)間0～1200 ℃，所得TG-DTA曲線見(jiàn)圖2。

圖2 前驅(qū)體粉末的TG-DTA曲線

由圖2可知，第1階段發(fā)生在40～256 ℃之間，這是前驅(qū)體粉末釋放吸附水以及脫結(jié)晶水的過(guò)程，恰對(duì)應(yīng)240 ℃左右處的吸熱峰。第2階段檸檬酸鹽分解，其分解峰在256～350 ℃，有318 ℃的放熱峰，這一過(guò)程是前驅(qū)體粉末中的有機(jī)成分檸檬酸燃燒所致。第3階段發(fā)生在350～1000 ℃之間，在945 ℃有一個(gè)小的放熱峰，這是硝酸鹽發(fā)生分解生成 SrCO3和CeO2，SrCO3和CeO2之間發(fā)生相變反應(yīng)生成SrCeO3的過(guò)程。溫度大于1000 ℃時(shí)，熱重曲線趨于平緩。為保證前驅(qū)體粉末能完全分解生成所需產(chǎn)物，選擇煅燒溫度為1000 ℃，燃燒時(shí)間4 h。

4.2 熱處理溫度對(duì)SrCeO3：Sm3+粉體發(fā)光強(qiáng)度的影響

其他條件恒定，將前驅(qū)體粉末在溫度800、850、900、950、1000和1050 ℃煅燒4 h，得到不同煅燒溫度下的樣品的發(fā)光強(qiáng)度見(jiàn)圖3。

圖3 不同溫度SrCeO3：Sm3+的發(fā)射強(qiáng)度

不同煅燒溫度所得樣品的發(fā)光強(qiáng)度不同，這是由于樣品晶相不同所造成的[9]，Sm3+在各晶相中所處的位置不同，繼而造成了發(fā)光強(qiáng)度在一定程度上的差異。當(dāng)熱處理溫度升高，樣品的發(fā)光強(qiáng)度在一定程度上也不斷增高。原因在于熱處理溫度較低時(shí)得到的Sm3+結(jié)晶不完全，之后隨著溫度繼續(xù)升高，生成的粉粒徑增大，結(jié)晶越來(lái)越完整，則發(fā)光強(qiáng)度不斷提高。由發(fā)光強(qiáng)度確定熱處理溫度為1000 ℃。

4.3 熱處理時(shí)間對(duì)SrCeO3：Sm3+粉體發(fā)光強(qiáng)度的影響

在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，恒定熱處理溫度為1 000 ℃，分別煅燒1～5 h，所得樣品的發(fā)光強(qiáng)度見(jiàn)圖4。由圖可見(jiàn)樣品的發(fā)光強(qiáng)度與熱處理的時(shí)間呈正相關(guān)。這是因?yàn)殡S著熱處理時(shí)間增加，生成的SrCeO3：Sm3+越多，晶型也逐漸完整。由SrCeO3：Sm3+的發(fā)光強(qiáng)度，確定SrCeO3：Sm3+產(chǎn)品煅燒時(shí)間為4 h。

圖4 不同熱處理時(shí)間SrCeO3：Sm3+的發(fā)射圖譜強(qiáng)度

4.4 Sm3+摻雜量對(duì)SrCeO3：Sm3+粉體發(fā)光強(qiáng)度的影響

在SrCeO3：Sm3+中，Sm3+的摻雜量對(duì)樣品的發(fā)光強(qiáng)度的影響是非常大的。測(cè)定不同摩爾濃度的Sm3+所制得的樣品的發(fā)光強(qiáng)度，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，得出不同摻雜濃度的樣品的發(fā)光強(qiáng)度點(diǎn)線圖，見(jiàn)圖5。

圖5 Sm3+不同摻雜濃度的樣品的發(fā)光強(qiáng)度

由圖3～4可知，純相SrCeCO3不發(fā)光，當(dāng)Sm3+的摻雜濃度較低時(shí)，激活的Sm3+較少，并且Sm3+之間距離遠(yuǎn)，從而降低了發(fā)光離子的能量傳遞效率，故發(fā)光強(qiáng)度增加不多[10]。隨著增加Sm3+摩爾摻雜濃度，激活的Sm3+數(shù)量也逐漸增加，這提高了其吸收和傳遞的能量，從而使發(fā)光強(qiáng)度得到大大的提高；當(dāng)Sm3+摩爾摻雜量為3 mol%時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度最高。

5 結(jié)論

本文采用熔鹽法，以硝酸鈰為原料，以硝酸鉀為熔鹽，成功制備了SrCeO3：Sm3+粉末的橙紅色熒光粉。通過(guò)研究離子摻雜濃度、煅燒時(shí)間及煅燒溫度對(duì)稀土發(fā)光性質(zhì)的影響，得出如下結(jié)論：SrCeO3：Sm3+粉末的橙紅色熒光粉，粒徑大小約為180 nm。合成SrCeO3：Sm3+的發(fā)光合成產(chǎn)品煅燒溫度為1000 ℃，煅燒時(shí)間4 h。當(dāng)Sm3+的摻雜濃度為3 mol%時(shí)，紅色發(fā)光粉CeO2：Sm3+發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)。