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BaAl2O4:Eu 2+,Dy 3+长余辉发光材料的燃烧合成及其发光特性

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第16卷第2期 功能材料与器件学报 Vol_l6.No.2 2010年4月 JOURNAL OF FUNCTIONAL MATERIALS AND DEVICES Apr.,2010 文章编号:1007—4252(2010)02—0169—05 BaA12 O4:Eu ,Dy 长余辉发光材料的燃烧合成及其发光特性 李峻峰 ,邱克辉 ,赖雪飞 ,张佩聪 ,邓苗 (1.成都理工大学材料科学技术研究所,成都610059;2.四川大学化学工程学院,成都610065) 摘要:以金属盐和尿素为原料,采用燃烧法合成了发青绿光的BaA1:O :Eu¨,Dy¨长余辉发光 材料。采用XRD、SEM、荧光分光光度计等手段对其进行分析表征。研究结果表明:随着燃烧温度 升高,燃烧反应加剧,副产物BaCO 的含量减少,BaA1 O 的结晶程度增加,晶粒尺寸增大。Ba Al O :Eu ,Dy“的激发光谱和发射光谱峰值分别为310nm和500nm,均呈宽谱带特征,其发光是 由Eu“的4f ̄5d f 跃迁引起,长余辉特性主要基于Dy¨的电子陷阱作用。 关键词:燃烧法;铝酸钡;长余辉发光材料 中图分类号:TN104.3 文献标识码:A Combustion synthesis and luminescence properties of BaAI2 O4:Eu ,Dy phosphor with long afterglow LI Jun—feng , ,QIU Ke—hui ,LAI Xue—fei ,ZHANG Pei—cong ,DENG Miao Institute of Material Science and Technology,Chengdu University of Technology, Chengdu 6 1 0059,China;2.College of Chemical Engineering,Sichuan University,Chengdu 6 1 0065,China) Abstract:Using metal nitrate and urea as raw materials,BaA12 O4:Eu ,Dy phosphor with bright tur— quoise and long afterglow was prepared by combustion synthesis.The properties of phosphor were charac— terized by means of X—ray diffraction(XRD),scanning electron microscopy(SEM)and fluorospeetro— photometer.The results show that,with the increasing of combustion temperature,the violent degree of reaction increases,the content of BaCO3 decreases,the crystallinity of BaA12 O4 increases,and the grain size increases.The peak value of excitation and emission spectrum of BaA12 O4:Eu“,Dy”is respectively 3 1 0 nm and 500 nm,and the spectrums show characteristic of broad band.The luminescence of phosphor is due to the transitions from 4f65 d to 4f configuration of the Eu“ion.and its long afterglow is due to the effect of electron trap of Dy¨. Key words:combustion synthesis;barium aluminate;long afterglow phosphor 收稿日期:2008—12—15; 修订日期:2009—07—15 基金项目:四川省科技攻关重点项目(编号:07GGO02—002),四川省教育厅青年基金项目(编号:08ZB063) 作者简介:李峻峰(1976一),男,讲师,博士,从事稀土功能材料和生物材料研究. 通讯作者:邱克辉,男,教授. 170 功能材料与器件学报 l6卷 O 引言 长余辉发光材料在显示器背景灯、仪表显示盘、 紧急照明设施、安全逃生标识、交通运输标识、军事 1.2测试分析 采用Rotaflex D/max—C型x射线粉晶衍射仪 对样品进行物相分析,用日本日立(HITACH)¥530 隐蔽照明等方面均有广泛用途,近年来又逐渐拓展 到信息存储、高能射线探测等应用领域,相关领域自 上世纪以来一直是人们研究的热点 。 常见长余辉发光材料有硫化物、氧化物、硅酸盐、 型扫描电镜进行样品形貌观察,使用日立850型荧 光分光光度计于室温下测定样品的激发光谱、发射 光谱和余辉衰减曲线。 钛酸盐、铝酸盐等体系,其中铕离子激活的碱土铝酸 盐长余辉发光材料具有量子效率高、稳定性好、激发 带宽、余辉时间长等特点,成为一类稳定高效的新型 长余辉发光材料 。碱土铝酸盐长余辉发光材料中 发黄绿光的SrM O :Eu“,Dy¨最为成熟,目前已实 现工业化生产。近年来对其它颜色铝酸盐长余辉发 光材料研究较多 J,以期望合成出可与SrA1 0 : Eu¨,D)r¨发光性能相媲美的其它颜色长余辉发光材 料,这对实现夜光显示的多色化具有重要意义 。 目前长余辉发光材料制备常采用高温固相合成 法,合成温度高、时间长、能耗大而使生产成本高。 采用燃烧法合成发光材料,不仅可有效地降低合成 温度(500~800℃),并且合成速度快(3—5 rain), 具有显著简单、快速、节能、高效的优点 ’9j。 本实验在课题组早期采用燃烧法合成铝酸锶长 余辉发光材料¨ 的基础上,通过自蔓延燃烧反应合 成了发青绿光的BaA1 O :Eu ,Dy¨长余辉发光材 料,丰富了长余辉发光材料的发光颜色,并为铝酸钡 体系发光材料的合成提供了新方法。 1 实验 1.1样品的合成 按化学计量比分别称取尿素(CO(NH,),,A. R),铝(A1(NO )3・9H:O,A.R),钡(Ba (NO3)2,A.R),氧化铕(Eu O ,99.99%),氧化镝 (Dy O ,99.99%)。先将尿素、铝和钡加 适量水溶解,再将氧化铕和氧化镝用一定量的浓硝 酸(14 mo ̄L)加热溶解后加入到尿素和盐溶液 中,7O℃加热搅拌30 min,将混合溶液盛人刚玉坩 埚,一定温度下放人马弗炉中进行燃烧合成反应。 在燃烧反应进行时,可观察到原料溶液很快沸腾,接 着开始膨胀并燃烧,发出耀眼白光,整个过程在3~ 5 min内完成。合成物为泡沫状疏松白色粉末产 物,稍加研磨就得到发光粉体样品。 3结果与讨论 3.1物相分析 图1是分别在500℃、600 oC、700 cI=和800 oC下 燃烧合成物的x射线粉晶衍射谱图。分析所得XRD 谱图发现:500℃燃烧所得合成物中(图1(a))存在 BaA12O4(PDF No.17—0306)和BaCO3(PDF No.05— 0378)两个物相,BaCO 含量较高。随着燃烧温度的 提高(6o0℃、700℃),BaCO 衍射特征峰强度减弱, BaA1 O 衍射特征峰强度增强(图1(b)、(c)),800 oC 燃烧合成物中(图1(d))BaCO 的衍射特征峰已基本 消失,BaM O 衍射特征峰更为尖锐。 2q-heta/( ) Fig.1 XRD patterns of samples prepared at different combus— tion temperatures:(a)500℃,(b)600℃,(c)700 oC,(d) 800℃ 图1不同燃烧温度下所制备样品的XRD谱图:(a)500 ℃,(b)600℃,(c)700℃,(d)800℃ XRD结果表明,在燃烧温度较低时,合成物中 副产物BaCO 较多。这主要是因为原料进人马弗 炉后溶液很快沸腾,此时部分尿素会分解产生CO , 与Ba(NO,) 分解产生的BaO反应形成BaCO ,由 于BaCO 分解温度高,在燃烧合成时如反应不彻底 就会残留下来。随着燃烧反应温度升高,燃烧反应 剧烈程度增加,BaCO 分解速度加快,残留的副产物 BaCO 减少。 2期 李峻峰,等:BaA1 O :Eu“,Dy“长余辉发光材料的燃烧合成及其发光特性 171 2.2显微结构分析 片的晶粒很小;600℃(图2(B))合成物片上晶粒尺 图2是分别在500℃、600。【=、700℃和800 寸小于0.5 m,可见气孔存在;700℃(图2(C))合 成物片上大的晶粒尺寸约为1 txm;800 oC(图2 下燃烧合成物的扫描电镜照片,从扫描电镜照片可 见,燃烧法合成物是由细小品粒构成的片状结构。 500℃(图2(A))燃烧合成物片表面比较光滑,构成 (D))燃烧合成物片上大的晶粒尺寸可达1.5 m, 气孔也较前更大。 Fig.2 SEM photos of samples prepared at different combustion temperatures:(A)500℃,(B)600℃,(C)700 qC,(D)800 oC 图2 同燃烧温度下所制备样品的扫描电镜照片:(A)500℃,(B)600 ,(C)700℃,(D)800℃ SEM照片表明,燃烧反应时盐脱水分解生 成无定形的金属氧化物和氮的氧化物气体,尿素也 会分解产生气体,大量的气体产生使得反应物膨胀, 光谱和发射光谱如图3所示,余辉衰减曲线如图4 所示。 因此形成疏松多孔的片状结构。由于燃烧法合成反 应速度快,单位时间内形成合成物晶核数量多,晶体 没有足够的时间长大和结晶反应便结束,使合成产 物片上晶粒呈不规则粒状,晶粒细小。随着燃烧反 应温度的升高,燃烧反应加剧,晶体生长速度增大, 在微观形貌上表现为晶粒尺寸增大,气孑L也增大。 2.3光谱分析与余辉特性 将上述不同燃烧温度合成产物于暗室中用紫外 灯(A=365 am)激发后观察,发现样品发青绿色光,其中800 cc燃烧合成的样品发光效果较好,其激发 Fig.3 Dy“ I 50 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 Wavelength/nm Excitation and emission spectrum of BaA12 O4:Eu“,  O :Eu“Dy”的激发光谱和发射光谱 图3 BaA1,l72 功能材料与器件学报 16卷 图3显示,以500/l'm为检测波长,BaA1 0 : Eu¨,Dv 的激发光谱是峰值为310 nm的宽激发 谱带(220 440 nm),半峰宽为130 nnl,激发谱带位 于紫外和可见光区。以310 nln为激发波长,Ba— A1 O :Eu ,Dy 的发射光谱是峰值为500 tim的宽 发射谱带(380~640 nm),半峰宽为120 nm,发射谱 带中主要发射光波长位于青(464~500 nm)绿(500 ~578 nm)光区,呈显著宽带跃迁发射的特征。 以310 nm为激发波长,500 Fin为检测波长得 到BaA1 O :Eu ,Dy¨的余辉曲线(图4)显示,样 品前5 min是一个快衰减过程,此后则是一个缓慢 的衰减过程。 : 8O 篁 60 一 .三 40 20 O Fig.4 Decay curve of BaA12O4:Eu“,Dy 图4 BaA12O :Eu“,Dy“的余辉衰减曲线 2.4发光性探讨 根据XRD分析,本实验所合成BaA1,O 属六方 晶系,晶胞参数为a=10.44A、c=8.794/ ̄。通常 Ba¨离子半径为1.34A,Eu 离子半径为1.10A,搀 杂的Eu“进入BaA1 0 晶格占据Ba 格点取代 Ba“,形成Eu 发光中心。发光中心发光是基于 Eu“的4f65d — f 跃迁,Eu 的电子构型是[xe] 4f75s 5p ,在格点位置上的Eu 随着4f一5d电子耦 合作用增强,4fa5d 态能级间隔逐渐变小,同时裸露 在Eu 外层的5d轨道受到BaA1 O 晶体场环境的 影响,再加上BaA1 O 晶格的局部振动,将使4f65d 混合系统不再是分立的能级,而成为连续的能带。 当Eu“发生4f65d —4f 跃迁发光时,引起其激发光 谱和发射光谱也呈现出宽带特征。 BaA12O4:Eun,Dy¨的长余辉特性可能是Dy¨ 起到了电子陷阱的作用,而这种电子陷阱的能级正 好是处于Eu 的基态与激发态之间。当BaA1,O : Eun,Dy¨受到激发,发生Eu¨的4f -.4f65d 跃 迁,光激发还会使电子跃迁到导带上,即Eu“一 Eu¨+e,电子沿导带迁移,被Dy¨捕获即Dy“+e —Dv2+,形成Dy2+亚稳态。停止激发后,由于热 扰动和晶格振动等,被捕获的电子又被Dy2+逐步 释放出来即Dy2+一e+Dy¨,电子回到导带,又和 Eu 结合形成激发态的Eu¨,随后Eu 从激发态 回到基态并释放出光子。BaA1 O :Eu“,Dy”的长 余辉实际上是电子的转移和复合的过程。 3结论 通过以上实验结果和分析讨论,本研究可以得 出如下结论: (1)以金属盐和尿素为原料,采用燃烧法 合成了BaA1,O :Eu ,Dy¨发明亮青绿光的长余辉 发光材料。 (2)XRD结果表明燃烧温度较低时,产物中存 在较多的BaCO 副产物相,随着燃烧温度升高,副 产物BaCO 含量减少,BaAI O 的结晶程度增加。 (3)SEN照片显示燃烧法合成产物是由细小 晶粒构成的疏松多孑L片状结构,随着燃烧温度升高, 燃烧反应剧烈程度增加,晶粒尺寸增大。 . (4)BaA1 O :Eu ,Dy¨的激发光谱峰值为 310 nm的宽激发谱带,发射光谱峰值为500 nm的 宽发射谱带,主要发射峰位于青绿光区,其发光是由 Eu 的4f65d —4 跃迁引起,其长余辉特性主要基 于Dy“的电子陷阱作用。 参考文献: [1]SUN Jia—Yue,XIA Zhi—Guo,DU Hai—Yan.Progress in research of red long—lasting phosphorescence materials doped with rare eanh ion.Journal of the Chinese Rare Earth Society,2005,23(3):257—265(in Chinese).(孙 家跃,夏志国,杜海燕.稀土红色长余辉发光材料研究 进展.中国稀土学报,2005,23(3):257—265. [2]OU De—Hua,HUANG Hui—Ming,DENG Shu—Hua, ZHENG Yu—Ying.YANG Shu—Mei.Progress in re— search of red long—lasting phosphorescence materials. Rare Metals Letters,20o5,24(6):6—13(in Chinese). (欧得华,黄慧民,邓淑华,郑育英,杨淑梅.长余辉发 光材料研究进展.稀有金属快报,2005,24(6):6— 13.1 2期 李峻峰,等:BaA1 O :Eu“,Dy“长余辉发光材料的燃烧合成及其发光特性 173 [3]Jestin Lenus A,Govinda Rajan K,Yousuf M.Sornadurai D,Purniah B.Luminescence behaviour of rare earth doped alkaline earth aluminates prepared by the halide route.Ma— terials Letters 2002,54:70~74, [4]Lu Xing—Dong,SHU Wan—Gen.Progress in research on alkaline earth aluminate—based pef isten£photolumjnescent materials.Chinese Rare Earths,2005,26(2):66—72(in Chinese).(吕兴栋,舒万艮.稀土离子激活碱土铝酸 盐长余辉光致发光材料研究进展.稀土,2005,26(2): 66~72.1 [5]Qin z,Zhou Y,Mengkai L,Zhang A,Ma Q.Combustion synthesis of long—persistent luminescent MA12 O4:Eu , (M=Sr,Ba,Ca,R=Dy,Nd and La)nanopa ̄i— cles and luminescence mechanism research.Acta Materia— lia 2007,55:2615—2620. [6]Ryu H,Bartwal KS.Investigations on luminescence charac— teristics of Eu and Cr codoped BaAI2 O4.Materials Chemis— try and Physics 2008,111:186—189. 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