低溫燃燒法制備PDP用藍色熒光粉

王 巖

（甘肅土木工程科學研究院，甘肅 蘭州 730020）

0 引 言

彩色等離子體顯示器（PDP）以其優異的平板顯示性能，被認為是21世紀最有發展潛力的大屏幕平板顯示器[1－3]。PDP是一種氣體放電的顯示器[4]，由美國伊利諾斯大學1964年發明。

作為三基色藍色的重要材料BaMgAl10O17：Eu2＋（BAM）以其高量子效率和好的色純度，自1974年以來被廣泛應用于稀土三基色燈，目前更被廣泛應用于PDP中。但是BaMgAl10O17：Eu2＋一般采用傳統的高溫固相法合成，需要1600℃以上的高溫長時間反應，不但能耗大，成本高，而且在此高溫下產物易于燒結，嚴重損害發光材料的發光性能。另一方面，BaMgAl10O17：Eu2＋在使用中的一個主要問題，即容易劣化，嚴重制約著PDP的性能，并降低了PDP的使用壽命。對藍色熒光粉的研究，近年來日本Tottori大學的Tanaka S[5]等發現新型熒光粉 CaAl2O4：Eu2＋比BaMgAl10O17：Eu2＋的熱穩定性好，更能耐PDP中氣體放電所發射的真空紫外線（VUV）的轟擊，故被認為有希望在PDP中得到應用[6－8]。制備納米材料的方法有共沉淀法、靜電紡絲技術、低溫燃燒法[9－11]等。

文中采用低溫燃燒法制備CaAl2O4：Eu2＋，研究制備工藝及摻雜濃度對樣品發光性能的影響。

以尿素為燃料低溫燃燒法的實驗反應方程式為：

1 實 驗

1.1 樣品制備

采用 Al（NO3）3·9HO2（A.R），Ca（NO3）2·4HO2（A.R），Eu2O3（4N），尿素 （A.R），硝酸（A.R），乙醇（A.R）作為原料。將按化學計量比稱取Eu2O3，用6mol／L硝酸溶解；再將其它按化學計量比稱取的實驗藥品溶解于Eu（NO3）3溶液中，并置于瑪瑙研缽再研磨0.5h至膏狀；研磨好的物品倒入坩堝中，將坩堝放入箱式電阻爐點火燃燒得樣品。

1.2 性能表征

采用日本理學D／max－ⅡB型X射線衍射（X－ray diffraction，XRD）儀測試樣品的物相組成，輻射源CuKα，X射線管壓為40kV，管流為20mA，掃描速度為4°／min，步長為0.02°。用日本日立F－4500型熒光光譜儀測量樣品的激發和發射光譜激發源為150W 氙燈。采用型號為JSM－6701F的場發射掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）測試分析樣品的形貌。

2 結果與討論

2.1 點火溫度對樣品發光性能的影響

在箱式電阻爐不同溫條件下，分別對同一配方（Eu2＋摻雜濃度為8at%，尿素用量為理論值的1.5倍）的5個試樣進行燃燒法合成，爐溫300～700℃范圍內，每隔100℃進行一次燃燒合成實驗，當點火溫度為300℃時，沒有燃燒現象，當爐溫在400～700℃范圍內，均可以觀察到燃燒現象，合成的產物均能在紫外線的激發后，發出較強的藍色光，如圖1所示。

圖1 不同點火溫度下合成CaAl2O4：Eu2＋的發射光譜

從圖中光譜（354nm激發）可以看出，隨著點火溫度升高發光強度變大，但發射峰的峰位并沒有隨點火溫度的改變而移動，還是在440nm。爐溫為600℃時產物的發光強度最大，700℃時又呈下降趨勢。這可能是溫度過高時，即700℃燃燒反應速度過快，使得熱量被瞬間產生的大量氣體帶走，參與反應熱能量降低，同時降低了結晶性能，從而導致發光降低。

2.2 尿素用量不同對樣品發光性能的影響

不同尿素用量時合成CaAl2O4：Eu2＋的發射光譜（354nm激發）如圖2所示。

從圖中可以看出，隨著尿素用量增加發光強度變大，但發射峰的峰位并沒有隨尿素用量的改變而移動，還是在440nm。尿素用量為理論用量的0.5倍時不發光，而在1～2倍理論用量范圍內制得的產物發光強度較大，尤以尿素用量為1.5倍時產物的發光強度最大。尿素用量在2倍以上時發光強度又下降，這是因為尿素過量時，反應產生大量的氣體帶走大量的熱，導致合成溫度降低。

圖2 不同尿素用量時合成CaAl2O4：Eu2＋的發射光譜

從樣品的外觀來看，尿素用量選為理論用量的1.5倍比較適宜，這時制得的樣品不但疏松、硬度小、粒度細小，膨化最好。

2.3 稀土摻雜濃度對發光樣品性能的影響

不同濃度Eu2＋摻雜下合成CaAl2O4：Eu2＋的發射光譜（354nm激發）如圖3所示。

圖3 不同濃度Eu2＋摻雜下合成CaAl2O4：Eu2＋的發射光譜

從圖3可見，通過對CaAl2O4基質摻雜不同濃度的Eu2＋離子，樣品的相對發光強度發生變化，但發射峰的峰位并沒有隨Eu2＋濃度的改變而移動，還是在440nm。當激活劑濃度過低時，發光中心數量較少，發光強度較低，隨著濃度加大，發光中心數量增加，在被紫外線輻射時產生更強的藍光，在濃度為8at%時發光強度最強，但濃度超過8at%時，又會產生濃度猝滅，使發光強度降低，所以Eu2＋的摻雜量應在8at%為宜。

2.4 樣品的XRD圖

點火溫度為600℃、尿素用量為理論用量的1.5倍，Eu2＋濃度為8at%時的 CaAl2O4：Eu2＋的XRD譜如圖4所示。

圖4 樣品的XRD譜

從圖中可以看出，其主峰值與JCPDS卡片23－1036比對，合成的基質主晶相為CaAl2O4。

2.5 CaAl2O4：Eu2＋的激發與發射光譜

CaAl2O4：Eu2＋樣品的光譜如圖5所示。

圖5 樣品的光譜

圖中表明樣品在354nm能夠有效地被激發，440nm為發射光譜的最強峰。位于354nm的激發峰的產生是由于 Eu2＋的4f7（8S7／2）→4f65d（T2g）的基態躍遷，而440nm發射峰對應的是Eu2＋的4f65d→4f7的躍遷，屬于藍光發射。

2.6 SEM 分析

點火溫度為600℃，尿素用量為理論用量的1.5倍，Eu2＋濃度為8at%時的 CaAl2O4：Eu2＋的SEM圖如圖6所示。

圖6 納米CaAl2O4：Eu2＋ 的SEM

由圖6可知，得到的粉體顆粒尺寸分布在20nm左右，粉體的分散性較好。

3 結 語

采用低溫燃燒法制備了PDP用藍光CaAl2O4：Eu2＋。樣品具有優異的光學性質，且點火溫度、尿素用量、Eu2＋濃度對樣品性能有很大影響。樣品的發光峰值位于440nm，對應的是Eu2＋的4f65d→4f7的躍遷，屬于藍光發射。而激發峰位于354nm，其產生是由于Eu2＋的4f7（8S7／2）→4f65d（T2g）的基態躍遷。CaAl2O4：Eu2＋粉體顆粒尺寸分布在20nm左右，并且粉體的分散性較好。

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