硅酸盐基磷光体的制备、表征及性能研究

论文摘要

硅酸盐磷光体是一类重要的光致发光材料，具有优异的化学物理性能和抗紫外辐射性能，成为近年来国内外学者们研究的热点。但是大部分硅酸盐磷光体的发光效率和余辉时间有待改进，故离产业化还有一定的差距，有必要通过研究组成变化进一步提高其发光性能。此外，合成硅酸盐磷光体主要采用的是传统的固相混料高温煅烧法，存在能耗高和因混料带来性能不稳定等固有缺陷，而且合成产物的粒径和形貌有待进一步改善。同时，如何开发非金属离子激活的硅酸盐磷光体，对于拓宽硅酸盐基磷光体的应用范围也具有重要意义。本文通过吸收磷光体材料相关机理和制备技术的最新研究结果，致力于探索组成关系和合成方法，制备出性能优越且形貌可控的硅酸盐磷光体。论文中详细地研究了碱土金属硅酸盐磷光体各组分对其发光性能的影响，开发了不同的湿化学法制备高性能磷光体，探索了温度、催化剂、合成方法及产物形貌等因素与磷光体发光性能的关系，并采用热重-差热分析（TG-DTG）、X-射线衍射（XRD）、荧光光谱（PL）、傅立叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）等表征手段对产物的结构和性质进行了分析。具体研究内容和结果如下：1．在基质Sr2MgSi2O7中，RE3+（RE=Ce,Nd,Gd）可有效地把能量传递给发光中心Eu2+。本论文通过系统地研究碱土含镁硅酸盐磷光体的组成关系，探讨了磷光体各组分对其发光性能的影响。结果表明，通过改变SrO与SiO2的比率，基质组成的变化引起磷光体发射光谱位置和发射峰强度的变化；RE3+（RE=Ce，Nd,Gd）作为共掺杂的稀土离子对磷光体各个方面性能有着积极的影响，来自RE3+的能量传递是提高磷光体发光性能关键所在。这就为研究碱土硅酸盐磷光体在紫外可见激发下的发光机理、改善商用硅酸盐磷光体的发光性能打下了基础。2．为了克服传统制备方法带来的固有缺陷，本论文尝试纳米包覆法和共沉淀法合成了碱土金属硅酸盐超细磷光体，并研究了样品的发光性能。研究结果表明：两种方法合成的磷光体在发光强度和余辉性能方面都有明显的提高。采用纳米包覆法制备的前驱物具有核壳结构形貌，对这种特殊结构的形成过程作了推断，并通过多方面分析肯定了这种形貌前驱物对于合成Sr3MgSi2O8：Eu2+，Dy3+磷光体在各个方面性能的促进作用；APTES共沉淀法制备的Sr2MgSi2O7：Eu2+,Dy3+硅酸盐磷光体具有可直接应用的超细颗粒度，而作为制备前驱物的硅源，APTES其特殊的厌水亲油性决定了合成出磷光体的优越性能。3．进一步考察了形貌控制对于硅酸盐磷光体发光性能的影响，基于范德华力和氢键作用力的特点，本论文通过改进的溶胶凝胶法，制备了微米级球形磷光体。研究结果表明：微米级球形颗粒可以很有效改善磷光体的发光性能；通过改变制备前驱物中氨水的量可以在一定程度上控制球形颗粒的大小；而继续增加氨水的量，可以实现从Sr2MgSi2O7到Sr3MgSi2O8基质晶格的转变，从而引起了光谱和余辉性能各方面的变化。4．为了突破光谱位置方面的局限性，又兼顾硅酸盐磷光体基质的优点，针对硅铝酸盐磷光体材料的研究逐渐成为该领域的热点之一。本论文采用醇盐水解溶胶凝胶法分别制备了SrAl2Si2O8：Eu2+，Dy3+磷光体与Sr2Al2SiO7：Ce3+，Tb3+磷光体，对比高温固相法合成磷光体，发光性能有显著的提高。特别是Sr2Al2SiO7：Ce3+，Tb3+白色磷光体，其颗粒形貌呈准球形，同时可以通过调节浓度观察到Tb3+和Ce3+之间的能量传递。5．为了进一步拓宽硅酸盐基磷光体的理论研究深度和应用范围，本论文研究了非金属离子激活的无定型二氧化硅发光球体。提出了一种在碱性条件下合成微米范围内可调控的单分散发光硅球新方法，不需要加入有机或者无机的荧光团：用水热法制备了具有核壳结构的空心发光硅球，这种核壳结构空心球体在紫外光照射下具有蓝色的发射光谱。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 固体发光材料概述
• 1.1.1 固体发光相关知识
• 1.1.2 能敏化理论与猝灭机制
• 1.1.3 影响固体发光的几个因素
• 1.2 长余辉磷光体的表征、余辉机理及合成方法的研究
• 1.2.1 长余辉磷光体的主要表征手段
• 1.2.2 长余辉发光机理研究进展
• 1.2.3 长余辉磷光体的制备方法概述
• 1.2.4 长余辉磷光体的研究历史
• 1.3 硅酸盐余辉磷光体的研究进展
• 1.3.1 稀土激活的碱土硅酸盐长余辉磷光体
• 1.3.2 稀土激活的碱土硅铝酸盐长余辉磷光体
• 1.3.3 非金属离子激活的非晶型二氧化硅磷光体
• 1.4 硅基发光材料研究方向与展望
• 1.4.1 稀土激活硅酸盐及硅铝酸盐长余辉磷光体的研究
• 1.4.2 非金属离子激活非晶型二氧化硅磷光体的研究
• 1.5 本课题研究的目的和主要内容
• 1.5.1 本课题研究的目的
• 1.5.2 本课题研究的内容
• 2 实验部分
• 2.1 实验所用的试剂和药品
• 2.2 实验所用设备
• 2.3 发光粉体的表征方法
• 3 碱土金属含镁硅酸盐磷光体组成结构与性能的研究
• 3.1 前言
• 3.2 相组份比例与发光性能的关系
• 3.2.1 样品制备
• 3.2.2 晶相组成分析
• 3.2.3 激发与发射光谱分析
• 3.2.4 余辉曲线分析
• 2+,Dy³⁺浓度与基质组分的关系'>3.2.5 晶格中Eu²⁺,Dy³⁺浓度与基质组分的关系
• 3.3 基质相组成变化与发光性能关系
• 3.3.1 样品制备
• 3.3.2 XRD分析结果
• 3.3.3 激发与发射光谱分析
• 3.3.4 余辉特性分析
• 2+能级结构和电子陷阱深度的影响'>3.4 晶体结构对Eu²⁺能级结构和电子陷阱深度的影响
• 2+,Dy³⁺掺杂在发光材料中的作用'>3.5 稀土离子Eu²⁺,Dy³⁺掺杂在发光材料中的作用
• 3.5.1 样品的制备
• 2+离子在发光材料中的作用'>3.5.2 Eu²⁺离子在发光材料中的作用
• 3+离子在发光材料中的作用'>3.5.3 Dy³⁺离子在发光材料中的作用
• 3+（RE=Ce,Nd,Gd）共掺杂提高磷光体性能'>3.6 RE³⁺（RE=Ce,Nd,Gd）共掺杂提高磷光体性能
• 3.6.1 样品制备
• 3.6.2 晶相组成分析
• 3.6.3 激发与发射光谱分析
• 3.6.4 余辉性能分析
• 3.7 长余辉发光机理讨论
• 3.7.1 长余辉材料中点缺陷的形成及对长余辉性能的影响
• 2MgSi₂O₇:Eu²⁺,Dy³⁺体系长余辉发光模型的探讨'>3.7.2 Sr₂MgSi₂O₇:Eu²⁺,Dy³⁺体系长余辉发光模型的探讨
• 3.8 本章小结
• 4 超细碱土金属含镁硅酸盐磷光体合成及发光性能的研究
• 4.1 引言
• 4.2 纳米包覆法制备含镁正硅酸盐磷光体
• 4.2.1 样品制备
• 4.2.2 前驱物的形貌研究
• 4.2.3 前驱物的热失重过程
• 4.2.4 晶相组成分析
• 4.2.5 激发与发射光谱分析
• 4.2.6 余辉性能分析
• 4.3 APTES共沉淀法制备含镁焦硅酸盐磷光体
• 4.3.1 样品制备
• 4.3.2 前驱物的热失重过程
• 4.3.3 晶相组成分析
• 4.3.4 形貌结构分析
• 4.3.5 激发和发射光谱性能分析
• 4.3.6 余辉性能分析
• 4.4 本章小结
• 5 微米级球形碱土含镁硅酸盐磷光体的制备及晶型的转变
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.3 改进的溶胶凝胶法制备球形碱土焦硅酸盐磷光体
• 5.3.1 前驱物的热失重过程
• 5.3.2 晶相组成分析
• 5.3.3 形貌结构分析
• 5.3.4 激发和发射光谱分析
• 5.3.5 余辉性能分析
• 5.4 碱土金属含镁硅酸盐磷光体晶型的转变及其光谱性质的变化
• 5.4.1 磷光体基质晶格的转变
• 5.4.2 球形磷光体形貌的可控性研究
• 5.4.3 不同样品的红外谱图比较
• 5.4.4 磷光体光谱性能的变化
• 5.4.5 磷光体余辉衰减曲线的变化
• 5.5 球形磷光体形成机理研究
• 5.6 本章结论
• 6 醇盐水解溶胶凝胶法制备碱土金属硅铝酸盐磷光体的性能研究
• 6.1 引言
• 2Si₂O₈:Eu²⁺,Dy³⁺磷光体'>6.2 醇盐水解溶胶凝胶法制备SrAl₂Si₂O₈:Eu²⁺,Dy³⁺磷光体
• 6.2.1 异丙醇铝的制备
• 2Si₂O₈:Eu²⁺,Dy³⁺的制备'>6.2.2 磷光体SrAl₂Si₂O₈:Eu²⁺,Dy³⁺的制备
• 6.2.3 晶相组成分析
• 6.2.4 形貌结构分析
• 6.2.5 激发和发射光谱性能分析
• 6.2.6 余辉性能分析
• 2SiO₇:Ce³⁺,Tb⁴⁺磷光体'>6.3 醇盐水解溶胶凝胶法制备SrAl₂SiO₇:Ce³⁺,Tb⁴⁺磷光体
• 2Al₂SiO₇:Ce³⁺,Tb⁴⁺的制备'>6.3.1 磷光体Sr₂Al₂SiO₇:Ce³⁺,Tb⁴⁺的制备
• 6.3.2 晶相组成分析
• 6.3.3 形貌结构分析
• 6.3.4 激发和发射光谱性能分析
• 6.3.5 余辉性能分析
• 6.4 本章小结
• 7 非金属离子激活的球形无定形二氧化硅发光材料的研究
• 7.1 单分散发光硅球的制备及性能的研究
• 7.1.1 引言
• 7.1.2 样品制备
• 7.1.3 不同样品的形貌变化规律
• 7.1.4 不同样品的紫外可见吸收光谱变化规律
• 7.1.5 不同样品的荧光光谱转化规律
• 7.1.6 不同样品的红外光谱变化分析
• 7.1.7 磷光的形成机理
• 7.2 一种具有核壳结构的空心无定形二氧化硅发光粉体
• 7.2.1 引言
• 7.2.2 样品制备
• 7.2.3 空心球体的形貌结构分析
• 7.2.4 清洗前后样品的红外谱图比较分析
• 7.2.4 空心硅球形成机理分析
• 7.2.6 空心硅球形成过程中光谱性能变化分析
• 7.2.7 空心硅球发光中心形成分析
• 7.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 博士论文创新点摘要
• 致谢
• 作者简介