稀土掺杂CaTiO3纳米粉的制备及其上转换发光性能研究.docVIP

PAGE 稀土掺杂CaTiO3纳米粉的制备及其上转换发光性能研究 李宇龙、孔帆、李丽萍 材料科学与工程学院 指导教师：陈向群副 一、课题研究目的 稀土掺杂的无机纳米粉体具有上转换发光性能，可望在发光材料和生物材料等方面得到应用而被深入研究。目前作为上转换发光材料研究的主要是含有稀土元素的氟化物和氧化物，如NaYF4，Gd2O3，Y2O3等，以这些材料作为基质材料的上转换发光材料具有上转换发光效率高的特点，但是原料成本较高。本项目选用廉价的钛酸钙（CaTiO3）作为上转换发光材料的基质材料，希望通过掺杂稀土离子Er3+，Tm3+，Yb3+并调节其种类和浓度得到红、绿、蓝、白光，引入Li+提高上转换发光强度，达到稀土氧化物的水平。 二、课题背景 上转换发光是通过多光子机制把长波辐射转换成短波辐射,从而实现了低能量光波向高能量光波转换的现象。所谓的上转换材料就是指受到光激发时,可以发射比激发波长短的荧光的材料。上转换材料能够在红外辐射激发下发射出可见光，甚至紫外光，在研制紧凑型短波长激光器、生物分子荧光标识、三维立体显示、防伪标记材料、红外辐射探测等领域都有巨大的应用前景。 上转换材料通常包括激活剂、敏化剂和基质。本项目选用稀土元素Er3+、Tm3+作为激活剂，希望得到红，绿，蓝和白色光。稀土元素Yb3+的激发光谱是980nm，与Er3+第一激发态的吸收能量相一致，而且吸收截面远远大于Er3+，能量吸收后可传递给Er3+，因而是一种很有效的上转换敏化剂。 上转换材料的基质的选择取决于声子能量。上转换发光基质材料的研究主要集中于声子能量较低的晶体材料和玻璃态物质中。目前广泛研究的有氟化物和氧化物，如NaYF4，Gd2O3，Y2O3等，虽然其具有发光效率高的特点，但是其成本较高。本项目选用廉价的CaTiO3作为基质材料，在节约成本的同时希望得到良好的上转换发光性能。 CaTiO3的制备方法主要有高温固相合成法，燃烧法和溶胶-凝胶法等。溶胶-凝胶法可在低温下制备纯度高，粒径分布均匀，多组分混合物，而且可以准确调节稀土离子的掺杂浓度。因此，本项目采用溶胶—凝胶法制备稀土掺杂的CaTiO3纳米粉体，以精确的控制掺杂比例，并实现稀土离子的高浓度掺杂。 本项目拟采用溶胶—凝胶法制备稀土掺杂的CaTiO3纳米粉体，表征其结构及形貌，研究其上转换发光性能。通过调节稀土离子的种类和掺杂比例，使其在红外光激发下，发射红，绿，蓝和白色光，并通过掺杂Li+提高其上转换发光强度。 三、课题研究主要内容 1、溶胶—凝胶法制备稀土掺杂的CaTiO3纳米粉体 在烧杯1中称量乙酸钙和稀土元素（如硝酸铒），加入10ml水溶解乙酸钙，1-5ml硝酸溶解稀土元素，然后加入20ml乙醇，搅拌均匀。 在烧杯2中加入30ml乙醇、7ml钛酸四丁酯、1.5ml硝酸，搅拌均匀。 将两溶液混合，搅拌并用硝酸调节使形成透明溶胶，在80度下恒温加热，形成果冻状凝胶，在110度下继续干燥得到干凝胶。 将干凝胶置于马弗炉中800℃ 乙酸钙水溶液，硝酸铒 乙酸钙水溶液，硝酸铒 钛酸四丁酯 混合 用硝酸调节PH值 透明溶胶 凝胶 干凝胶 乙醇 乙醇 钛酸钙粉体 水浴加热 干燥 煅烧 溶胶-凝胶法制备纳米粉体的工艺流程图 2、利用XRD、TEM表征CaTiO3纳米粉体的结构及形貌 图1是所制备的共掺杂Er3+ /Tm3+/Yb3+的CaTiO3粉体的XRD谱图，图2是CaTiO3 的XRD标准谱卡片。图1所示的衍射峰的位置都与标准卡片吻合的很好，证明了所制得的CaTiO3纳米粉是钙钛矿型CaTiO3。 由谢乐公式(D=Kλ/βcosθ)计算得到制备的CaTiO3晶粒尺寸约为23nm。 图1 共掺杂Er3+ /Tm3+/Yb3+的CaTiO3粉体的XRD谱图 图2 CaTiO3 的XRD标准谱卡片 图3是所制备的CaTiO3:1Er (掺杂Er3+ 1mol%的CaTiO3粉体)的透射电镜（TEM）图，图4是所制备的CaTiO3:2 Er的TEM图。由TEM图可以看出，所制得CaTiO3粉体为纳米尺度的微小粉体，与由XRD得到的结果相一致。 图3 CaTiO3:1 Er的TEM图 图4 CaTiO3:2 Er的TEM图 钛酸钙粉体的上转换发光性能测试 （1） Er3+单掺杂CaTiO3粉体的上转换发光性能研究及Li+对其发光性能的影响 图5给出了在980nm波长的激光激发下，掺杂1 mol %Er3+和不同浓度Li+的钛酸钙纳米粉体室温下的上转换光谱。如图所示，掺杂浓度1 mol %Er3+的钛酸钙纳米粉体受激下发绿光和红光，而绿光比红光强度大得多，说明掺杂Er3+的钛酸钙粉体具有良好的单色性。掺入Li+的样品发光强度显著提高，当掺杂L