燃烧法合成红色发光材料Li2CaSiO4Eu3+.docVIP

实验一 燃烧法合成红色发光材料Li2CaSiO4:Eu3+ 一、实验名称：燃烧法合成红色发光材料Li2CaSiO4:Eu3+ 二、实验目的： 1、掌握发光现象、燃烧法的实验原理和材料的基本测试方法； 2、掌握燃烧法合成Li2CaSiO4:Eu3+粉体的制备过程； 3、研究Eu3+浓度变化对荧光粉发光性能的影响； 三、实验原理 1. 发光现象 发光就是物体把吸收的能量转化为光辐射的过程。当材料受到诸如光照、外加电场或电子束轰击等的激发后，吸收外界能量，处于激发状态，它在跃迁回到基态的过程中，吸收的能量会通过光或热的形式释放出来。如果这部分能量是以光的电磁波形式辐射出来，即为发光，而具有这种发光行为的物质就称为发光材料，发光材料也常被称为荧光体或磷光体。通常，发光材料包括基质、发光中心(激活剂)两个主要部分。发光的物理过程从发光行为角度可简单理解为：如图l所示，发光中心吸收激发能量，并将其转化为辐射发光和非辐射的晶格热振动能。而从能级跃迁的角度理解则可认为：如图2所示，发光中心吸收激发光的能量跃迁到激发态，然后从激发态又以能级辐射跃迁的形式回到基态并发出光，或以非辐射的形式回到基态。 图1 一种发光中心A在它的基质晶格中的发光行为 EX-激发，EM-发射（辐射回到基态），Heat-非辐射回基态 图2 发光中心A能级示意图 R-辐射回到基态，NR-非辐射回到基态 2. Eu3+的发光特性 稀土元素因具有特殊的发光特性，在光致发光、电致发光、X射线发光、阴极射线发光等方面有广泛应用。稀土元素的发光特性取决于其4f轨道上电子的特性，其电子组态为4fn5s25p6，随着n值的增加，表现出不同的电子跃迁形式及众多的跃迁能阶。稀土元素离子的4f亚层外，还有5s2、5p6电子层，由于后者的屏蔽作用，使4f亚层受化合物中的晶体场或配位场影响较小，三价稀土发光中心基本是孤立的。这造成了它的能级结构基本保持自由离子的特征，在不同基质中的变化较小，发光基本都是线谱。4f电子在不同能级之间的跃迁，产生了大量的吸收和荧光光谱跃迁，很适合作为激光和发光材料的激活剂离子。 Eu3+离子是研究最多，应用最广泛的一种红色发光激活剂，其能级结构简单，发光单色性好、量子效率高。 Eu3+的最外层子组态为4f6，它的发射通常呈现为位于红色区域的线峰，这使得它在照明和显示中得到了重要的应用。图3和图4是Eu3+离子其发光主要来自于5D0激发态，所产生的谱线有～813nm(5D0→7F6)、～741nm(5D0→7F5)、～700nm (5D0→7F4)、～654nm (5Do→7F3)、～615nm(5D0→7F2)、～592 nm(5D0→7F1)、～578nm (5D0→7F0)。在无机发光材料中，Eu3+的可见光发射主要为5D0→7FJ(J=0，1，2，3，4，5，6)的跃迁，其中最强的跃迁为5D0→7Fl或5Do→7F2，这取决于Eu3+在该发光材料中所占据位置的对称性的高低。对称性高，以磁偶极跃迁5D0→7F1为主；对称性低，则以电偶极跃迁5D0→7F2为主，而其他跃迁均较弱。 Eu3+掺杂荧光粉的激发光谱 图4 Eu3+掺杂荧光粉的发射光谱 3.燃烧法合成原理 燃烧法是指通过前驱物的燃烧合成材料的一种方法。当反应物达到放热反应的点火温度时，以某种方法点燃，随后的反应即由放出的热量维持，燃烧产物就是拟制备的。其原理是将反应原料制成相应的硝酸盐，加入作为燃料（还原剂），在一定的温度下加热，经剧烈的氧化还原反应，溢出大量的气体，进而燃烧。nSi(O2C2H5)4+nH2O== nSi(OH) 4+4nC2H5OH 6LiNO3+3Ca(NO3)2+ 3Si(OH) 4+ 12CO(NH2)2 ==3Li2CaSiO4+12CO2+4NH3+24H2O+16N2 用燃烧法合成发光材料具有相当的适用性，燃烧过程产生的气体还可充当还原保护气氛，并是一种很有意义的高效节能成方法、实验药品及仪器 药品：三氧化二铕（Eu2O3），硝酸钙（Ca(NO3)2·4H2O），尿素，正硅酸乙酯（Si(OC2H5)4），硝酸锂（LiNO3），浓HNO3，去离子水。 仪器：电子天平，量筒，烧杯，移液管，磁力搅拌器，恒温干燥箱，刚玉坩埚，马弗炉，X射线粉晶衍射仪（XRD），荧光光谱仪（FL）。 五、注意事项 1、准确称量样品； 23、注意安全； 六、实验配比 按合成0.01mol的Li2Ca1-xSiO4:xEu3+ (x=0.03，0.04，0.05，0.06)发光材料来计算各原料的化学配比，以Eu3+浓度为变量设计实验，实验共计4组，各实验药品质量/体积如下表所示： 药品名称 实验组编号 质量（g/ml） 硝酸锂 1组、2、3、4 ？（g） 正硅酸乙酯 1、2、