发光材料的制备与检测论文

论荧光粉的制备与发光特性 摘要：利用水解法得到SiO2溶胶，并在其中掺入Mn2+，Zn2+离子，加热烘干制得Zn2SiO4 :Mn胶体，将其在100C高温下煅烧2h，得到含Mn2+的Zn2SiO4 :Mn颗粒。研磨成粉，并用X射线进行物象分析。然后测定试样的激发光谱和发射光谱。结果表明Mn2+掺杂的Zn2SiO4 可绿色荧光。最后对这种物质的发光机理进行分析。 关键词： 胶体 硅酸锌 荧光发射 硅铍石晶体 人类进入21世纪，对各种功能材料，特别是新型发光材料的研发与应用的水平不断深入。研究表明，用掺杂等手段使各种材料性能不断改进，甚至赋予新的特性。如等人将Eu2+和Tb3+ 离子掺杂在Zn2SiO4中观察到绿色和红色荧光[1]。Zn2SiO4 :Mn荧光粉作为一种十分重要的发光材料，早在19世纪80年代就被人们所认识和利用。硅酸矿石能在紫外线（365nm）照射下发出可光，所以当时人们通过这种方法，能过更容易找到矿床。 Zn2SiO4 是一种很好的发光材料基质，呈白色粉末状，易于操作合成；Mn2+掺杂Zn2SiO4 是一种高效绿色磷光材料，被广泛应用于等离子体显示板，阴极射线管和荧光灯上。 本文采用溶胶—凝胶法。参与反应的各组分基本上在分子级混合，且各离子分布均匀，所以较之传统的固相反应法，大大缩短了反应时间（如sol-gel在800度下就得到Zn2SiO4晶相[5]），而且设备简单，易于操作。 1 实验 Zn2SiO4 :Mn的制备：（以下操作分两组同时进行） 将正硅酸乙酯（（C2H5O）4Si）25ml，乙醇（CH3COOH）25ml ，蒸馏水15ml并加入少量盐酸（约2ml）催化，搅拌30 min水解后得到SiO2溶胶（并用PH试纸调节）；取碳酸锌（ZnCO3•2HO2）和氯化锰（MnCl2•4H2O）作原料（注意；氯化锰只添加到其中的一组，另一组不用添加），然后加水溶解并逐滴加入30%的氨水助溶；将Mn2+，Zn2+（摩尔比约为1：100）的溶液加入到SIO2溶胶中，同时迅速开启磁力棒搅拌10~20min后在恒温箱中110℃环境下蒸干，制得Zn2SiO4 :Mn和不含Mn2+的Zn2SiO4胶状固体样品。 2 结果和讨论 物相分析 图1是Zn2SiO4 :Mn的X射线衍射分析结果，与纯Zn2SiO4 的X射线衍射分析结果对比，表明掺杂Mn2+的Zn2SiO4 :Mn与不掺杂的X射线衍射图相同，结构相同，与标准卡对比相等，得到的化合物是单一相，其原因是Mn2+的掺杂很少，Mn2+取代了Zn2+形成固体溶胶[6]，由于Mn2+与Zn2+离径相近（rMn=，rZn =）。所以观测到的两种物质为单一的，相是相同的。 激发光谱与发射光谱。 图2是Zn2SiO4 的激发光谱。图3是Zn2SiO4 :Mn的激发光谱。 由图2可看出未掺Mn2+ 情况下，Zn2SiO4 的激发光谱主要有320nm , 304nm , 370 nm , 380nm几个吸收峰,其中吸收峰位于λ=320 nm 处的峰值吸收最强．由图3可看出掺杂Mn2+情况下．Zn2SiO4 :Mn的激发谱中显示了2个主要的吸收峰分别是λ=294nm和λ=422nm,所以由于Mn2+ 的引人使得基质材料的能带结构发生了变化,而激发谱与材料的能带结构有关。从而掺杂的Zn2SiO4 :Mn与不掺Mn2+ 的Zn2SiO4 激发光谱完全不同．图4是未掺Mn2+纯的Zn2SiO4 试样发光谱(λ=320nm)． 在纯的Zn2SiO4 的发光峰λ=516nm,λ=625nm,λ=732nm等处但由于发光强度不够,使得发光现象不够明显。图5是掺杂Mn2+ 的Zn2SiO4 :Mn试样发射光谱(λ=294nm)时,然而采用λ=422nm,λ=356nm激发波长,所得谱线发光峰位置并不改变,只是荧光强度改变,通过观察在谱线中有较强的λ=528nm发光峰,同时观察到绿色荧光。 发光机理 Zn2SiO4 具有硅铍石晶体结构[2]，该结构中所有金属离子均处于四配位环境中。因此，Mn2+ （3d5）也应占据四配位环境的格位。在3d5 电子组态内的所以光跃迁不可能获得较高的光输出。然而在半掺杂实验中Mn2+ 的激发通过与Zn2+ 的能量转换来实现的。即Mn2+ 置换了晶格中的Zn2+ 形成连续固溶体[6]，使晶格结构发生了改变，同时Zn2+ 与Mn2+ 能量得到交换。所以Zn2SiO4 基质中Mn2+ 的发射在250nm左右的区域内表现出一个较强的'激发带，这很可能是电荷迁移跃迁时的Mn2+ 的4T→6A[4]发射会产生很大的光输出。 同时应当指出，不同工艺条件下制备的基质材料发光性质不一样，如水热法制备Zn2SiO4 :Mn前驱体观察到绿的荧光[3]本实验采用溶胶—凝胶法，Mn2+ 掺杂的Zn2SiO4 材料的发光过程可认为是Zn2SiO4 基质吸收光子，电子受激由电子价带被激发到导带后又被缺陷捕获，缺陷与Mn2+ 的激发产生复合而释放电子形成荧光。由于在不同波长照射下，受工艺条件及基质材料等因素影响下，缺陷与激发态复合不同，致使Mn2+ 掺杂的Zn2SiO4 中观察到蓝光和绿色荧光，例如Mn2+ 掺杂的Zn2SiO4 中有6A1→4T2[2]的d—d跃迁产生，使其形成荧光。 3 结论： 采用溶胶—凝胶法制备Mn2+ 掺杂的Zn2SiO4 发光材料，由于制备过程中无须机械磨合，不易引进杂质所以纯度高，又由于溶胶由溶液制得，化合物在分子水平混合，故胶粒内化学成分完全一致，掺杂均匀，颗粒细（胶粒尺寸小于μm）；所以体系化学均匀性较好。而且合成温度低，粉末活性高；工艺设备简单，易于操作等优点，作为发光材料的实际生产与应用有很好的指导作用。 ;

稀土发光材料 自古以来，人类就喜欢光明而害怕黑暗，梦想能随意地控制光，现在我们已开发出很多实用的发光材料。在这些发光材料中，稀土元素起的作用很大，稀土的作用远远超过其它元素。 一、稀土发光材料��物质发光现象大致分为两类：一类是物质受热，产生热辐射而发光，另一类是物体受激发吸收能量而跃迁至激发态（非稳定态）在反回到基态的过程中，以光的形式放出能量。以稀土化合物为基质和以稀土元素为激活剂的发光材料多属于后一类，即稀土荧光粉。稀土元素原子具有丰富的电子能级，因为稀土元素原子的电子构型中存在4f轨道，为多种能级跃迁创造了条件，从而获得多种发光性能。稀土是一个巨大的发光材料宝库，在人类开发的各种发光材料中，稀土元素发挥着非常重要的作用。��自1973年世界发生能源危机以来，各国纷纷致力于研制节能发光材料，于是利用稀土三基色荧光材料制作荧光灯的研究应运而生。1979年荷兰菲利浦公司首先研制成功，随后投放市场，从此，各种品种规格的稀土三基色荧光灯先后问世。随着人类生活水平的不断提高，彩电已开始向大屏幕和高清晰度方向发展。稀土荧光粉在这些方面显示自己十分优越的性能，从而为人类实现彩电的大屏幕化和高清晰度提供了理想的发光材料。��稀土荧光材料与相应的非稀土荧光材料相比，其发光效率及光色等性能都更胜一筹。因此近几年稀土荧光材料的用途越来越广泛，年用量增长较快。��根据激发源的不同，稀土发光材料可分为光致发光（以紫外光或可见光激发）、阴极射线发光（以电子束激发）、X射线发光（以X射线激发）以及电致发光（以电场激发）材料等。二、光致发光材料—灯用荧光粉��灯用发光材料自70年代末实用化以来，促使稀土节能荧光灯、金属卤化物灯向大功率、小型化、低光衰、高光效、高显色、无污染、无频闪、实用化、智能化、艺术化方向发展。主要用于各类不同用途的光源，如照明、复印机光源、光化学光源等。其中三基色荧光粉（由红、绿、蓝三种稀土的荧光粉按一定比例混合而成）制成的节能灯，由于光效高于白炽灯二倍以上，光色也好，受到世界各国的重视。稀土发光材料的质量提高和应用技术的发展，推动了新一代节能光源的科研、生产、应用，并带动了许多相关行业的发展，配套能力不断增强。��典型的热阴极荧光灯是在玻璃管内壁涂有荧光粉，在紫外线激发下发出可见光。当灯通电时，封装在灯两端的钨丝电极之间放电。主要是通过荧光粉将短波辐射转变成可见光而发光。稀土三基色荧光灯，它含有钇、铕和铽稀土荧光粉，能发出更亮的光，比标准荧光灯更接近太阳光谱。同时这种光可以节省50%的能耗，三基色荧光粉是将三种发射窄带红（611nm）、绿（545nm）和兰（450nm）色光谱的三种荧光粉混合而成。灯管先涂一薄层卤磷酸盐荧光粉，然后再涂一薄层三基色荧光粉。每支三基色荧光灯管平均含克荧光粉，其中包括60%Eu3+掺杂的氧化钇（红粉）、30%Tb3+激活的铈镁铝酸盐（绿粉）和10%Eu2+激活的钡镁铝盐（蓝粉）。��三基色荧光粉常用的稀土激活荧光体有：红粉：铕（Eu3+）激活的氧化钇、有时用Bi3+共掺杂蓝粉：铕（Eu2+）激活的硅酸盐基质铕（Eu2+）激活的铝酸盐基质铕（Eu2+）激活的氯磷酸盐基质铕（Eu2+）激活的钡镁铝酸盐绿粉：铽（Tb3+）、铋（Bi3+）和铈（Ce3+）激活的镁铝酸盐铽（Tb3+）和钆（Gd3+）激活的镁钡铝酸盐1．稀土节能灯��稀土荧光粉主要应用于办公室、百货商店和工厂中的高性能荧光灯。80年代中期以来，随着含铽较少的较便宜的荧光粉开发成功，这种节能灯的应用迅速增长。90年代中期，国际上推出了TMT2直管型荧光灯，管径仅7mm，功率为6W～13W，光效为621m/W。T5直管型荧光灯管径为16mm，功率14W～35W，28W荧光灯光效可达104m/W，寿命大于16000h。我国新开发的大功率强光型55W～120W适用于室外照明的稀土紧凑型节能荧光灯管，光效801m/W以上。��新一代高频环保节能灯管T5荧光灯管，是理想的节能照明光源。灯管的特点是涂敷稀土三基色荧光粉为发光体，采用固态汞减少二次污染及高频电点灯的新技术，光效高、光色好、无频闪、提高了光的质量、缩短了工序、降低了能耗、减少了汞污染、净化了生产环境、提高了生产效率，是今后几年大力推广的产品，市场前景优于当前的紧凑型节能荧光灯。��近年国际上又推出加强型T5高频节能荧光灯管，提高了单位面积的光通量，充分发挥了细管径高光通的作用。��上海东利照明电器有限公司、江南节能灯厂、华星光电实业公司等单位近日以推出大功率、高光通、高显色、强光型紧凑型节能荧光灯。华星光电实业公司研制生产的T5管径55W～85W E40、E27灯头，体积与功率250W以下的高压汞灯、高压钠灯大致相同，显色指数Ra>80，适用于室外照明。��节能灯是绿色照明工程的重要组成部分，推广使用稀土三基色节能灯是节约能源、保护环境的有效措施之一。2．稀土荧光粉用其它类型灯（1）汞灯��稀土荧光粉用于高压汞灯中已有多年。这种灯的原理是利用氩气和汞蒸汽中的放电作用，它的光强度高于荧光灯。所用铕激活的钡酸钇荧光粉起改善光色作用。高压汞灯的主要应用是街道和工厂照明，这种场合需要强的白光。但是，近年来钠放电灯和金属卤化物HQT灯已代替了高压汞灯，它的市场已衰落。钠放电灯和金属卤化物HQT灯比汞灯的颜色再现性好，发天然白光。美国通用电报电话公司麻省实验室的研究人员已经研究出一种改良型低色温用的汞灯。将铈激活的钡酸钇荧光粉混入，制成400W的暖色汞灯，照明度25500流明，色温3350K，比普通汞灯的稳定性好、效率高。（2）碳弧灯��稀土氟化物加入到棒芯中，使弧光强度提高到10倍，同时弧光颜色由浅黄色变为接近日光色。这种碳弧灯用作探照灯以及彩色电影摄像和放映。（3）高压钠灯��高压钠灯中用半透明氧化铝作弧型管材料，氧化铝中添加少量氧化镁和氧化钇作烧结助剂来改善材料的光学性质，为了增强氧化铝的半透明度，氧化钇的粒径应在25微米左右。若粒径太大则会降低强度。目前高压钠灯中存在的问题是稀土杂质偏析导致钠浸蚀氧化铝管。