紅色長余輝發(fā)光材料納米硫氧化釔的熱處理研究

劉曉霞，李向果，彭桂花，梁振華

(1.江漢大學文理學院，湖北 武漢 430056；2.廣西師范大學，廣西 桂林 541004;3.河南質(zhì)量工程職業(yè)學院，河南 平頂山 467000)

長余輝發(fā)光材料是一種新型節(jié)能環(huán)保材料，能吸收日光或紫外光，并能將部分能量儲存起來，激發(fā)停止后，再以可見光的形式釋放出來，這一特性使其在發(fā)光涂料、發(fā)光塑料、發(fā)光水泥、發(fā)光紙、發(fā)光搪瓷、工藝美術(shù)品、建筑裝飾、鐵路船舶交通、軍事制品、應(yīng)急照明、防偽標志及日用品消費等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1]。近年來其應(yīng)用已擴展到信息存儲、高能射線等探測領(lǐng)域[2，3]。

可見光區(qū)的長余輝發(fā)光材料主要分為藍色、黃綠色和紅色。藍色和黃綠色長余輝發(fā)光材料的余輝性能已經(jīng)達到實際應(yīng)用要求，而能夠發(fā)出象征喜慶、吉祥的紅色光的長余輝發(fā)光材料則發(fā)展緩慢，性能相對較差。因此研發(fā)性能良好的紅色長余輝發(fā)光材料具有廣闊的應(yīng)用前景。自1999年Murazaki等[4]通過摻雜Mg2+和Ti4+使傳統(tǒng)的Y2O2S：Eu3+發(fā)光材料產(chǎn)生了紅色余輝以來，許多學者[5～8]對Y2O2S基發(fā)光材料進行了研究，并取得了較好的進展，但其余輝性能仍和藍色和黃綠色長余輝發(fā)光材料有很大差距。

燃燒法合成的紅色長余輝發(fā)光材料納米Y2O2S:Eu3+，Mg2+，Ti4+因含有少量的有機物雜質(zhì)，顏色發(fā)灰，發(fā)光性能與高溫固相法所得材料差距較大[9]。為了使發(fā)光性能得到進一步提高，作者對燃燒法合成的紅色長余輝發(fā)光材料納米Y2O2S:Eu3+，Mg2+，Ti4+進行了熱處理，并采用X-射線粉末衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)、熒光光譜儀(PL)、亮度計對發(fā)光材料的物相、顯微形貌、激發(fā)與發(fā)射光譜和余輝進行表征，以得到最優(yōu)的熱處理條件。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

Y2O3(4 N)、Eu2O3(4 N)、Mg(OH)2·4MgCO3·5H2O(分析純)、Li2CO3(分析純)、C16H36O4Ti(分析純)，上海國藥集團化學試劑有限公司；無水乙醇、H2NCSNH2、無水Na2CO3、NH3·H2O、HNO3、活性炭，分析純，汕頭西隴化工廠有限公司；檸檬酸，分析純，天津永大化學試劑開發(fā)中心。

D/MAX2500V/PC型X-射線粉末衍射儀，日本理學；FEI Quanta200FEG型掃描電鏡，荷蘭菲利浦；FL-3-P-TCSPC型熒光光譜儀，法國；ST-86LA型屏幕亮度計，北京師范大學光電儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 紅色長余輝發(fā)光材料的合成

固定檸檬酸與釔離子物質(zhì)的量比為1.2∶1、硫脲與釔離子物質(zhì)的量比為5∶1、點火溫度為500 ℃，參照文獻[9]，合成得到紅色長余輝發(fā)光材料納米Y2O3S：Eu3+,Mg2+,Ti4+。

1.2.2 熱處理

取合成得到的發(fā)光材料2 g，放入小剛玉坩堝中，加蓋；將小坩堝放入裝有活性炭的大坩堝中，加蓋；放入馬弗爐中，分別在700 ℃、800 ℃、1000 ℃熱處理120 min，待爐溫降至室溫，取出，待測。

1.2.3 表征

采用X-射線粉末衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)、熒光光譜儀(PL)、亮度計等對合成得到的發(fā)光材料的物相、顯微形貌、激發(fā)與發(fā)射光譜和余輝衰減曲線進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 物相分析

熱處理前后發(fā)光材料的X-射線衍射圖譜如圖1所示。

由圖1可看出，800 ℃熱處理后發(fā)光材料的主要物相仍為Y2O2S，熱處理前少量的雜質(zhì)Y2OS2相在熱處理后基本消失。這表明，Y2O2S具有高溫穩(wěn)定的優(yōu)良特性[10]，在活性炭還原氣氛下Y2OS2還原為Y2O2S。

圖1 熱處理前后發(fā)光材料的X-射線衍射圖譜

由圖1還可看出，熱處理后的衍射峰比熱處理前的衍射峰更高、更尖銳，說明熱處理后發(fā)光材料的晶相含量更高、晶粒生長更好、粒徑略有增大。

2.2 形貌分析

熱處理前后發(fā)光材料的SEM照片如圖2所示。

a.未處理 b.700 ℃熱處理 c.800 ℃熱處理 d.1000 ℃熱處理

由圖2可看出，熱處理前，發(fā)光材料為較規(guī)則的納米顆粒，粒徑50～130 nm，顆粒之間有棉絮狀物質(zhì)存在，可能是殘留的有機物雜質(zhì)；700 ℃熱處理后，顆粒沒有明顯增大，棉絮狀物質(zhì)基本消失；800 ℃熱處理后，顆粒分布均勻，粒徑80～180 nm，略有增大；1000 ℃熱處理后變?yōu)?～3 μm的大顆粒。

2.3 激發(fā)、發(fā)射光譜分析

熱處理前后發(fā)光材料的激發(fā)光譜如圖3所示。

圖3 熱處理前后發(fā)光材料的激發(fā)光譜

由圖3可看出，800 ℃熱處理后，發(fā)光材料在260～400 nm處的寬帶吸收略有紅移，寬帶吸收主峰從熱處理前的338 nm處移至344 nm處，其它的尖峰吸收位置基本沒有發(fā)生變化。

熱處理前后發(fā)光材料的發(fā)射光譜如圖4所示。

圖4 熱處理前后發(fā)光材料的發(fā)射光譜

由圖4可看出，800 ℃熱處理后，發(fā)光材料發(fā)射峰的位置沒有發(fā)生變化，最強和次強吸收峰仍位于626 nm和617 nm處。

2.4 余輝衰減曲線分析

熱處理前后發(fā)光材料的余輝衰減曲線如圖5所示。

圖5 熱處理前后發(fā)光材料的余輝衰減曲線

由圖5可看出，熱處理前后發(fā)光材料均有快速和慢速兩個衰減階段。熱處理前發(fā)光材料的初始亮度較低，為188 mcd·m-2，衰減較快；700 ℃熱處理后的發(fā)光材料初始亮度提高至300 mcd·m-2；800 ℃熱處理后的發(fā)光材料初始亮度顯著提高至588 mcd·m-2，衰減變慢。這主要是因為，在較低溫度熱處理時，有機殘留物不能除盡，影響發(fā)光材料的亮度，也可能由于激活離子Ti4+沒有完全進入基質(zhì)晶格中，導致亮度提高不明顯；但當溫度達到800 ℃后，有機殘留物基本除盡，Ti4+可能又有一部分進入基質(zhì)晶格中與Mg2+復合，使得亮度明顯提高。

3 結(jié)論

對燃燒法合成的紅色長余輝發(fā)光材料納米Y2O2S：Eu3+，Mg2+,Ti4+進行了高溫熱處理，并對熱處理前后的發(fā)光材料進行了表征。結(jié)果表明，最佳熱處理溫度為800 ℃；熱處理后的發(fā)光材料的主要物相仍為Y2O2S、粒徑略有增大、寬帶吸收峰略有紅移、發(fā)射峰位置不變、初始亮度提高、衰減變慢。

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