纳米稀土发光材料的光学特性及软化学制备!.pdf
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1、纳米稀土发光材料的光学特性及软化学制备!邱关明!,耿秀娟,陈永杰,#,孙彦彬#,$,田一光,张明#,%(!&长春光机学院材料化工系,吉林 长春!#;&沈阳化工学院化工系,辽宁 沈阳!;#&东北大学材料与冶金学院,辽宁 沈阳!(;$&吉林大学材料科学与工程学院,吉林 长春!#(;%&扬州大学化学化工系,江苏 扬州%)摘要:概述了纳米稀土发光材料具有的、为传统发光材料无法媲美的%个光学特性,介绍了纳米稀土发光材料的软化学制备方法。通过对各种方法进行比较,指出了其优缺点,并对该类材料在超微化、高密度集成、高空间分辨率等方面的前景进行了探讨及展望。关键词:光学;纳米;发光材料;制备;稀土中图分类号:)
2、(!$*#;+,$文献标识码:-文章编号:!.$#$#(#).!/.(纳米材料和纳米结构的研究开辟了人们认识自然的新层次!,纳米稀土发光材料是指基质粒子尺寸在!0!12 的发光材料。纳米粒子本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等。受这些结构特性的影响,纳米稀土发光材料表现出许多奇特的物理和化学特性,从而影响其中掺杂的激活离子的发光和动力学性质,如光吸收、激发态寿命、能量传递、发光量子效应和浓度猝灭等性质。纳米稀土发光材料可广泛应用于发光,显示、光信息传递、太阳能光电转换、3 射线影像、激光、闪烁体等领域,是!世纪含45+、678 和各种平板显示器的信息显示、人类医疗健康
3、、照明光源、粒子探测和记录、光电子器件及农业、军事等领域中的支撑材料。最近考虑到纳米稀土发光材料的优异性能及广泛的应用前景,作者等逐步开始对此类材料的性能和其制备进行较深入地研究。纳米科技是高速发展的新兴学科,纳米制备技术也随着科技手段的进步不断被创新和完善,纳米稀土发光材料的制备方法有很多,其中有些方法作为研究纳米稀土发光粉性质是可行的,但是大量制备方法尚有许多要改进的地方。为获取性能优异的发光粉,作者等在制备技术和工艺上不断尝试和改进,取得了不少进展,其中软化学方法是合成纳米稀土材料的有效方法和必然趋势。!纳米稀土发光材料的光学特性纳米发光材料比常规(大于纳米)发光材料具有更优越的发光特性
4、,甚至具备同质常规材料不具备的新的光学特性。主要表现为如下几方面:(!)提高分辨率光学显示器件分辨率高低有双重意义,即像元密度和器件包含的像元总数。由电子束聚焦、发光粉颗粒及发光效率等因素而定。发光粉颗粒粒径达到纳米尺寸,可提高发光器件的分辨率。()光谱蓝移或红移随着粒子尺寸的减少,发光粒子的量子能级分立,有限带隙展宽,其相应的吸收光谱和发光光谱发生蓝移。如纳米 9)#:7;#!#(#?)$!.!%=(.*$=!5A(!)式中!()为纳米粒子吸收带隙;为粒子半径;第 项为量子限域能(蓝移);第#项为电子空穴对的库仑作用能(红移);!5A为有效的里德伯量。在一些情况下,粒子经化学修饰后,由于
5、偶极第!卷BCD&!第 期E&中国稀土学报F)G5H-I)6+J7 4JKH7L7 5-57 7-5+J L)4K7+9#年$月$-MN!收稿日期:.!.;修订日期:#.%基金项目:江苏省教育厅归国人员基金项目(8/!)作者简介:邱关明(!/#$.),男,江苏镇江人,教授,博士生导师通讯联系人(7O2PQD:2QRSTASP1UVWQ1P&RC2)效应和介电限域效应造成能级改变,带隙变窄,可以观察到光吸收光谱和发射光谱相对粗晶材料呈现红移现象。(!)使原不发光的促成发光对于经表面化学修饰的纳米发光粒子,其屏蔽效应减弱,电子空穴库仑作用增强,从而使激子结合能和振子强度增大,而介电效应的增加会
6、导致纳米发光粒子表面结构发生变化,对原来的禁戒跃迁变成允许,因此在室温下就可观察到较强的光致发光现象。如纳米硅薄膜受!#$%&激发光的激发可产生荧光。()宽频带强吸收发光材料的尺寸减小到纳米级时,对红外有一个宽频带强吸收谱。这是由于纳米大的比表面导致其与常规大块材料不同,没有一个单一的、择优的键振动模,而存在一个较宽的键振动模的分布。在红外光场的作用下,它们对红外吸收的频率也存在一个较宽的分布,这就导致了纳米粒子红外吸收带的宽化。有些纳米级半导体荧光材料对紫外光有强吸收作用,主要来源于它们的半导体性质,即在紫外光照射下,电子被激发由价带向导带跃迁引起的紫外光吸收。有些纳米材料对可见光具有低反射
7、率、强吸收率。(()有望解决发光粉颗粒尺寸和发光粉表面层无辐射中心的问题)纳米稀土发光材料的软化学制备制备工艺和设备的设计、研究和控制对纳米发光材料结构、形态、缺陷、性能和应用都具有重要影响。理论上,任何能够制备出无定型、多晶、单晶等超微粒子的方法都可以制备纳米发光材料。但是,许多方法合成制备出的纳米发光材料基本上都是结构松散、易团聚的纳米粒子,所以必须对制备方法进行筛选和处理。纳米材料复合技术和纳米材料组装技术正处于研究探索阶段,所以纳米材料制备技术中有许多创造空间和领域。对纳米发光材料的制备原理必须有充分地认识。其制备可分为成核、晶核增长和晶核控制,为了得到纳米级颗粒,对晶核增长过程必须严
8、格控制,长大速率除与浓度有关外,更决定于温度:!*+,-(.!#/$)())式中,!#相当于扩散活化能,为原子振动频率。要抑制晶核增长过程,最有效的手段就是降低温度($),即用软化学制备最易获得纳米材料。在较低温度下通过一般化学反应制备,有可能得到具有“介稳”、“亚稳”结构的材料体系,从而更有应用潜力。软化学过程更易于实现反应过程、途径和机制进行设计,进而对材料物理化学性质进行“剪裁”,有可能获得一些用高温固相反应与物理合成方法难以获得的低熵、低焓或低对称发光材料。特别是一些具有特殊结构和形态的低维材料。在化学反应过程中可采用成千上万种方法以得到不同形态、不同形状、不同粒度及不同粒度分布的纳米
9、颗粒。稀土氧化物发光纳米粉用量大,一般多采用化学法。但由于生成物除纳米粉外,还有气态、液态或固态产物,所以反应完后要经纳米粉分离或干燥,甚至还要进行焙烧、粉碎等后续加工,因而纳米粉表面很难保持其高纯度,因为纯度与形成过程中的反应路径和反应条件有关。但化学法能方便粒子表面进行碳、硅和有机物包裹或修饰处理,使粒子尺寸细小和均匀,性能更加稳定。软化学法典型的有:沉淀法、相转移法、界面合成法、插入反应法、离子交换法、熔盐(助熔剂)法、有机元素化合物热解法、生物矿化过程、自组装法等,以下介绍的是作者研究过的方法。!#化学沉淀法化学沉淀法是在原料溶液中添加适当的沉淀剂,使得原料溶液中的阴离子形成各种形式的
10、沉淀物,然后再经过滤、洗涤、干燥、加热分解等工艺过程而得到纳米发光粉。此法是工业大规模生产中用得最多的一种,工艺易于控制。化学沉淀法有很多种,其原理基本相同,常用的有共沉淀法和均相沉淀法。李强等采用均相沉淀法,以尿素为沉淀剂,制备出分散性很好的 0)1!234!5纳米微粒。样品制备时,在 0!5,34!5硝酸盐溶液中加入尿素,并稀释至)$&6,其中 0!5浓度为$7$&869.:,34!5浓度为$7$)&869.:,尿素浓度为)&869.:,将混合溶液过滤,置于;$)=后取出,经离心分离,并用蒸馏水洗涤,所得沉淀经冷冻干燥除去残留水分,在#;$#?$焙烧,得到纳米 0)1!2$:中国稀土学报)
11、:!卷!#$粉体。在制备工艺中,控制溶液均相沉淀反应的时间(%&()*),就可以合成粒径在+#&,%-.之间变化的/0#1!#$纳米微粒。采用均相沉淀法,只要控制好生成沉淀剂的速度,就可避免浓度不均匀现象,把过饱和度控制在适当范围,从而控制离子的生长速率,获得粒度均匀、致密、便于洗涤、纯度高的纳米粒子。采用改进的共沉淀法,可由简单起始原料合成发光纳米粉体。在共沉淀体系中加入某种表面活性剂,使沉淀颗粒表面形成保护层,从而减少颗粒表面非架桥羟基的存在,防止沉淀颗粒的凝集生长,可成功制备出粒径小、粒径分布范围较窄的纳米颗粒。目前,共沉淀法已被用于制备发光材料。化学沉淀法的优点是组分均匀性好,工艺易于
12、控制。缺点是对原料的纯度要求较高,合成路线较长,易引入杂质。!溶胶#凝胶法溶胶2凝胶法是应用前景非常广阔的合成方法),用此法可获得粒径更细的发光粉,无需研磨,且合成温度比传统的合成方法要低,对合成纳米发光材料具有一定的潜力。其基本原理是将金属醇盐或无机盐在某种溶剂中经水解反应形成溶胶,然后使溶质聚合凝胶化,再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分,最后得到无机材料。其化学过程3如下:原料!水解活 性 单 体!聚合溶 胶!凝胶化凝 胶!干燥、热处理材料利用该法成功地合成了多种纳米稀土发光材料,如/40#1!#$,,/560)1!7,/560,1!8,/0#1 9:#$等。例如/40#1!#$纳米荧光粉的合
13、成,将化学配比浓度%.;%的=-(?0#)#(=-/,!)溶液与分析纯的硼酸三丁酯混合,搅拌并同时滴加乙醇至完全互溶,将所获得的溶液置于7)A水浴中加热直至成为凝胶,烘干凝胶后研磨,然后在 8BB A下烧结,可获得单一的纯相/40#1!#$纳米粉末。溶胶2凝胶法的优点:(%)化学反应条件温和,成分容易控制;()工艺、设备简单;(#)产品纯度高:合成过程中无需机械混合,不易引进杂质;(+)均匀:溶胶由溶液制得,化合物在分子级水平混合,故胶粒内及胶粒间化学成分一致;())胶粒尺寸小,制得的颗粒细;(3)可容纳不溶性组分或不沉淀组分,不溶性颗粒均匀地分散在含不产生沉淀组分的溶液中,经胶凝化,不溶性组
14、分可自然地固定在凝胶体系中,不溶性组分颗粒越细,体系化学均匀性越好;(,)掺杂分布均匀,可溶性微量掺杂组分分布均匀,不会分离、偏析;(7)比醇盐水解法优越;(8)粉末活性高。其缺点有:原材料价格较贵,凝胶颗粒之间烧结性差,产物干燥时收缩大。!$微乳液法微乳液法是近年来制备纳米颗粒所采用的较为新颖的一种方法%B,在制备纳米材料中表现出一定的优越性。此法是利用两种互不相溶的溶剂(有机溶剂和水溶液)在表面活性剂作用下形成一个均匀的乳液,液滴尺寸控制在纳米级,从乳液滴中析出固相的制备纳米材料的方法。此法可使成核、生长、聚结、团聚等过程局限在一个微小的球形液滴内形成球形颗粒,避免了颗粒间进一步团聚。分油
15、包水型(CD0)和水包油型(0DC)两种。每个水相微区相当于一个微反应器,液滴越小,产物颗粒越小。这种非均相的液相合成法具有粒度分布较窄,并容易控制等特点;而且采用合适的表面活性剂吸附在纳米粒子表面,对生成的粒子起稳定和防护作用,防止粒子进一步长大,并能对纳米粒子起到表面化学改性作用;还可通过选择表面活性剂及助剂控制水相微区的形状(水相微区起到一种“模板”作用),从而得到不同形状的纳米粒子,包括球形、棒状、碟状等,还可制备核2壳双纳米发光材料。将两种反应物分别溶于组成完全相同的两分微乳液中,然后在一定条件下混合。两种微乳液的相互碰撞发生物质交换,在水核中发生化学反应,在微乳液界面强度较大时,反
16、应产物的生长将受到限制,如微乳颗粒大小控制在几个纳米,则反应产物以纳米微粒的形式分散在不同微乳液中,且稳定存在。通过超速离心或将水和丙酮的混合物加入反应完成后的乳液中等,使纳米微粒与微乳液分离,再以有机溶剂清洗以除去附着在微粒表面的油和表面活性剂,最后在一定温度下进行干%期邱关明等纳米稀土发光材料的光学特性及软化学制备燥处理,即可得纳米微粒。乳化液法的一般工艺流程为:表面活性剂!前驱体乳化沉淀分离洗涤干燥煅烧产品#有机溶剂沉淀剂用微乳液法已制备出纳米粒子!#和$%&()*荧光粉。如+,等-以./012.03 为乳化剂,采用微乳液法制得的$%&()*4纳米颗粒尺寸分布窄、粒径小,并且具有较高的晶
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