金属离子掺杂Zn2SiO4：Mn2+的合成及其发光性能研究

论文摘要

Zn2SiO4:Mn2+（ZSM）以其亮度高、色纯度好而成为良好的商用绿色材料,并成功应用在等离子显示器（plasma display panel, PDP）、无汞荧光灯等显示照明设备上。然而该发光材料由于其余辉时间过长、发光效率低等缺点,还不能完全满足PDP显示器件的需要。针对目前存在的上述问题及PDP、无汞荧光灯等显示照明器件的发展需要,为了进一步缩短Zn2SiO4:Mn2+的余辉时间和改善其发光性能,本论文主要采用了高温固相法和溶胶凝胶法（Sol-gel method, SG）制备了该商用真空紫外发光材料,探讨了合成方法、离子掺杂、热处理工艺对该发光材料发光性能的影响。该研究成果对于提高Zn2SiO4:Mn2+绿色材料发光性能具有重要的现实意义。本论文主要内容有：第一,Zn2SiO4:Mn2+绿色荧光粉的性能与其制备方法有关。分别采用高温固相法和溶胶凝胶法制备了Zn2SiO4:Mn2+绿色发光材料,讨论了合成方法对该材料合成温度,晶体结构和发光性能的影响。研究表明采用溶胶凝胶法,相比传统的高温固相法,合成温度降低了至少100℃,颗粒形貌优于高温固相法,发光强度也得到了提高。第二,热处理工艺对Zn2SiO4:Mn2+绿色荧光粉的发光性能的研究。结果表明,热处理气氛显著影响荧光粉的发光强度,前驱体先在N2保护气氛下高温煅烧,随后于N2（95%）+H2（5%）的混合气氛下进行低温还原热处理,得到的系列荧光粉发光强度明显提高,余辉时间较商用粉有所缩短。由于在荧光粉制备过程中,发光中心Mn2+容易被氧化成Mn4+等高价态,使用N2保护可部分防止Mn2+的氧化,使用还原气氛可使Mn4+还原为Mn2+,成为有效的绿色发光中心。第三,在真空紫外光（147nm）激发下,通过调节Mn2+浓度,研究其对发光性能的影响。Mn2+摩尔浓度在0.04左右时发射强度达到最大值,但余辉时间较长。随着Mn2+摩尔浓度的增加,发射强度下降,余辉时间减短。为了获得相对较短的余辉,需要牺牲部分亮度。Mn2+离子摩尔浓度一般选取0.08mol。第四,研究了Mg2+、Ba2+、Ca2+、Ge4+、Y3+、Gd3+、Li+等离子对Zn2SiO4:Mn2+发光强度、余辉时间、色纯度等发光特性的影响。研究表明Mg2+、Ba2+、Ca2+、Y3+、Gd3+、Li+等离子取代Zn2+离子格位,Ge4+取代了Si4+离子格位,其中Mg2+、Ba2+、Y3+、Gd3+离子对提高荧光粉的发光性能有较明显的作用,在提高发光强度的基础上,亦可缩短余辉时间。第五,分别选取金属离子掺杂的最佳结果Mg2+和Y3+／Li+,进行了中试放大合成工艺探索。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 PDP用荧光粉
• 1.2.1 光致发光材料简介
• 1.2.2 常用的PDP用三基色荧光粉
• 1.3 VUV用绿光材料的研究进展
• 1.3.1 铝酸盐绿光材料研究进展
• 1.3.2 硅酸盐绿光材料研究进展
• 1.3.3 硼酸盐绿光材料研究进展
• 1.3.4 磷酸盐绿光材料研究进展
• 1.3.5 其它绿光材料研究进展
• 2SiO₄:Mn²⁺的研究进展'>1.4 Zn₂SiO₄:Mn²⁺的研究进展
• 2SiO₄:Mn²⁺的结构及发光机制'>1.4.1 Zn₂SiO₄:Mn²⁺的结构及发光机制
• 2SiO₄:Mn²⁺的制备方法'>1.4.2 Zn₂SiO₄:Mn²⁺的制备方法
• 2SiO₄:Mn²⁺绿粉的研究进展'>1.4.3 Zn₂SiO₄:Mn²⁺绿粉的研究进展
• 1.5 课题设计及意义
• 参考文献
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验设备及所用试剂
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 样品的制备
• 2.2.1 高温固相法
• 2.2.2 溶胶-凝胶法
• 2.3 样品的测试及表征
• 2.3.1 X射线衍射测试（XRD）
• 2.3.2 扫描电镜测试（SEM）
• 2.3.3 真空紫外—紫外（VUV-UV）荧光性能测试
• 参考文献
• 2SiO₄:Mn²⁺的合成及其发光性能研究'>第三章 Zn₂SiO₄:Mn²⁺的合成及其发光性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 样品的制备
• 3.3 结果与讨论
• 2SiO₄:Mn²⁺结构、形貌和发光性能的影响'>3.3.1 合成方法对Zn₂SiO₄:Mn²⁺结构、形貌和发光性能的影响
• 3.3.1.1 物相分析
• 3.3.1.2 SEM分析
• 3.3.1.3 真空紫外发光性能研究
• 2+浓度对Zn₂SiO₄:Mn²⁺结构和发光性能的影响'>3.3.2 Mn²⁺浓度对Zn₂SiO₄:Mn²⁺结构和发光性能的影响
• 3.3.2.1 XRD分析
• 2-xSiO₄:xMn²⁺在真空紫外区的发光特性'>3.3.2.2 Zn_2-xSiO₄:xMn²⁺在真空紫外区的发光特性
• 3.3.2.3 衰减过程
• 3.4 小结
• 参考文献
• 2SiO₄:Mn²⁺的制备及其真空紫外发光特性研究'>第四章 单离子掺杂Zn₂SiO₄:Mn²⁺的制备及其真空紫外发光特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 样品的制备
• 4.3 结果与讨论
• 2+掺杂Zn₂SiO₄:Mn²⁺的制备及发光特性研究'>4.3.1 还原气氛下Mg²⁺掺杂Zn₂SiO₄:Mn²⁺的制备及发光特性研究
• 4.3.1.1 物相分析
• 4.3.1.2 真空紫外发光性能分析
• 4.3.1.3 衰减曲线分析
• 2+掺杂Zn₂SiO₄:Mn²⁺的制备及发光特性研究'>4.3.2 还原气氛下Ba²⁺掺杂Zn₂SiO₄:Mn²⁺的制备及发光特性研究
• 4.3.2.1 XRD分析
• 4.3.2.2 真空紫外发光性能分析
• 4.3.2.3 衰减曲线分析
• 2+掺杂Zn₂SiO₄:Mn²⁺的制备及发光特性研究'>4.3.3 还原气氛下Ca²⁺掺杂Zn₂SiO₄:Mn²⁺的制备及发光特性研究
• 4.3.3.1 XRD分析
• 4.3.3.2 真空紫外发光性能分析
• 4.3.3.3 衰减时间分析
• 4+掺杂Zn₂SiO₄:Mn²⁺的制备及发光特性研究'>4.3.4 还原气氛下Ge⁴⁺掺杂Zn₂SiO₄:Mn²⁺的制备及发光特性研究
• 4+掺杂样品的XRD图'>4.3.4.1 Ge⁴⁺掺杂样品的XRD图
• 4.3.4.2 真空紫外发光性能分析
• 4.4 小结
• 参考文献
• 2SiO₄:Mn²⁺荧光粉的制备及其真空紫外发光特性研究'>第五章 多离子掺杂Zn₂SiO₄:Mn²⁺荧光粉的制备及其真空紫外发光特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 样品的合成
• 5.3 结果与讨论
• 3+/Li⁺掺杂Zn₂SiO₄:Mn²⁺的结构及发光特性研究'>5.3.1 Y³⁺/Li⁺掺杂Zn₂SiO₄:Mn²⁺的结构及发光特性研究
• 5.3.1.1 XRD分析
• 5.3.1.2 真空紫外发光性能分析
• 5.3.1.3 衰减曲线分析
• 3+/Li⁺掺杂Zn₂SiO₄:Mn²⁺的制备及发光特性研究'>5.3.2 Gd³⁺/Li⁺掺杂Zn₂SiO₄:Mn²⁺的制备及发光特性研究
• 5.3.2.1 XRD分析
• 5.3.2.2 真空紫外发光性能分析
• 5.3.2.3 衰减时间分析
• 2+、Y³⁺/Li⁺共掺杂Zn₂SiO₄:Mn²⁺的制备及发光特性研究'>5.3.3 Mg²⁺、Y³⁺/Li⁺共掺杂Zn₂SiO₄:Mn²⁺的制备及发光特性研究
• 2+、Y³⁺/Li⁺共掺所得系列样品的XRD图'>5.3.3.1 Mg²⁺、Y³⁺/Li⁺共掺所得系列样品的XRD图
• 2+、Y³⁺/Li⁺共掺杂样品的VUV发光性能'>5.3.3.2 Mg²⁺、Y³⁺/Li⁺共掺杂样品的VUV发光性能
• 2SiO₄:Mn²⁺的中试放大工艺探索'>5.4 Zn₂SiO₄:Mn²⁺的中试放大工艺探索
• 5.4.1 实验
• 5.4.2 结果与讨论
• 5.4.2.1 放大实验所得样品的XRD图
• 5.4.2.2 放大实验所得样品VUV发光性能分析
• 5.5 小结
• 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 硕士在读期间发表的论文
• 致谢