YPO4：Ce3+的制備及熒光性能研究

摘 要：磷酸鹽基質發光材料由于具有良好的化學穩定性和熱穩定性，己被廣泛應用在各種照明和顯示儀器上。隨著稀土發光材料的發展與應用，稀土發光材料的研制及性能日益受到人們的重視。文章運用靜電紡絲法制備YPO4：Ce的納米纖維。采用X射線衍射分析儀對所制備的納米纖維的結構進行研究。并通過對激發光譜和發射光譜的分析，研究其熒光性能。最終獲得該體系下，變量的最佳值。研究結果表明：最佳反應條件為Ce的摻雜量為4%，1000℃煅燒3h時，YPO4：Ce3+熒光粉的激發主峰位于418nm處，為藍光粉體。

關鍵詞：磷酸釔；稀土發光材料；熒光；靜電紡絲法

稀土元素作為光學高新材料的原料寶庫，被稱為21世紀的戰略元素。稀土元素4f電子層構型使得稀土發光材料表現出了優異的物理和化學性能，已經被廣泛地應用在各種照明和顯示等領域。隨著新型平板顯示器的發展，改善常規熒光材料的性能和創造新型熒光材料是當前亟待解決的課題，對此納米材料提供了新的可能性。納米材料以其獨特的化學和物理性能引起了人們極大的關注[1]，其中一維納米材料因具有特殊的尺寸效應而顯示出優越的電、光、磁和力學性能，在研究和制作特定功能的納米器件方面具有潛在的應用前景。

稀土磷酸鹽發光材料吸收能力強、轉換效率高、在紫外-可見-紅外區域有很強的發射能力，且具有良好的物理化學穩定性，是最有發展潛力與應用市場的新一代光學材料之一。

近年來，利用多種方法合成納米稀土磷酸鹽材料的報道很多，H. Song等[2]比較了水熱法合成的納米線與納米顆粒LaPO4： Eu的發光情況，發現由于發光粉體的形狀不同，其發光性質有了很大的變化。納米線LaPO4： Eu的量子效率是納米顆粒發光材料的幾乎兩倍。Yang [3]等分別采用高溫溶劑法制備了LaPO4：Ce3+，Tb3+納米顆粒。研究發現，材料的物理化學性質，如化學成分、晶體結構、晶粒大小和形貌、電學和光學性質，都依賴于合成方法和合成參數，研究合成方法對磷酸鹽的物理化學性質的影響對于稀土摻雜磷酸鹽的發光性質及其在其他方面的應用具有很重要的意義。

在眾多一維納米纖維的制備方法中，靜電紡絲法由于制備條件溫和、適用面廣泛、過程簡單等優點而成為制備一維納米纖維的首選。目前，YPO4：Ce3+納米纖維靜電紡絲法制備還未見報道。

因此，本文采用聚乙烯吡咯烷酮為基體，采用靜電紡絲法合成了YPO4：Ce3+發光材料，并對其光學性能進行了表征。

1 實驗材料與方法

選用Y2O3（天津市致遠化學試劑有限公司）、Ce（NO3）3·6H2O（天津市光復精細化工研究所）和（NH4）2HPO4（天津市致遠化學試劑有限公司）粉末為原料。稱取一定量的Y2O3，溶于硝酸中，配成Y（NO3）3溶液。按照一定的比例稱取一定量的Ce（NO3）3·6H2O和（NH4）2HPO4，并加入適當的去離子水溶解，將三種溶液混合攪拌。取適量的無水乙醇、蒸餾水和適量的PVP，磁力攪拌得到混合均勻的PVP溶液。將溶液和鹽溶液混合，并靜置排除氣泡制得均勻的前驅體溶液。

將得到的前驅體溶液放在連有高壓電源的注射器中，保持30kv以上的電壓，從噴口噴出帶電的前驅體溶液，在電場力的作用下形成了纖維，并在收集板上沉積了下來，得到PVP/Y（NO3）3·Ce（NO3）3·（ NH4）2HPO4復合纖維。將纖維從接收板上取下，裝入坩堝中，在60℃干燥4小時后置于馬弗爐中，在1000 ℃下進行焙燒，升溫速率為5 ℃ /min，達到設定溫度后保溫1～4h，XRD表征樣品的結構，測試采用日本理學株式會社的Rigaku D/MAX-RB型X-射線衍射儀。CuKα射線光源，λ=0.154056nm，管電流15mA，管電壓40kV，掃描角度為10°～90°，掃描分辨率為0.03°。熒光性能的測試采用日本Shimadzu公司的RF-5301PC熒光分光光度計，使用固體樣品架，將樣品裝入粉末樣品池中，首先在紫外區選定一個激發波長，在此波長的紫外光照射下，做出其發射光譜；然后，從發射光譜中確定其最高發射峰，以此波長為檢測波長，做出激發光譜；再根據激發光譜選出最佳的激發波長，作為激發光源，做出發射光譜。實驗所選用參數為Ex狹縫寬度3nm，Em狹縫寬度3nm。高壓靜電發生器由天津東文公司生產。

2 結果與討論

圖2 在1000℃下煅燒，保溫3h，條件下制備的

YPO4：Ce3+的激發光譜（a）和發射光譜（b）

為了對YPO4：Ce3+發光材料的結構進行分析，實驗表征采用了X射線衍射儀對YPO4：Ce3+發光材料進行晶型結構測定。圖1分別為YPO4：XCe3+（X = 4%）在煅燒溫度為1000℃，煅燒時間為1h，2h，3h，4h所得試樣的XRD衍射圖譜。由圖可知，制備樣品的衍射峰較明顯，所有衍射峰均與YPO4的四方晶相（JCPDS.NO.11-0254）吻合得很好。說明所摻雜的稀土離子作為Y的同形替代物已經進入到了YPO4的晶格中，并且沒有電荷補償。

從趨勢上看，從1h到3h衍射峰尖銳度處于不斷增強的過程，而從3h到4h則有一個較大的減弱幅度，即隨著煅燒時間的增加，所有衍射峰變強變銳，3h時樣品的衍射峰最強最尖，說明樣品的結晶度隨著保溫時間的增加而提高。1h時各晶面強度不高，而且有機物還未完全分解，其中許多離子：例如氧離子，氫氧根離子會進入到晶格內部，與晶格點離子配位，甚至引起晶格畸變，破壞晶格結晶度，因此，其衍射峰尖銳度較低。2h時其尖銳度相較于1h有了較大的提高，應該是其中的有機物分解逐漸完全，晶粒不斷生長的過程。3h時衍射峰不僅尖銳度度高，且峰的寬度較窄，其晶相完全體現出來。所以從1h到3h是一個晶格不斷完善的過程。當樣品的保溫時間繼續增加時，樣品的衍射峰強度反而降低，峰寬變化不明顯。主要是因為保溫時間增加時，由于過燒等原因造成晶體結構破壞或者團聚使得樣品的結晶度降低。所以選擇最佳燒結時間為3h。

從激發光譜圖中可以看出，YPO4：Ce3+在230nm出有很強的激發峰。230nm處的最強激發峰是由Ce3+4d-5f寬帶能級躍遷所形成的。從發射譜圖可以看出，發射主峰位于418nm，其中418nm處的峰最強遠遠強于其它峰而處于藍色發光區內，制備的樣品YPO4：Ce3+較為理想。

3 結束語

本文主要采用靜電紡絲法制備以YPO4為基質摻雜Ce3+的熒光材料并對其發光的性能進行了研究。通過實驗可知最佳煅燒時間為3h。煅燒時間過長時，釋放出過多熱量，使得材料過分生長，結晶度降低，導致粉體熒光性能下降。熒光分析知其發射峰位于418nm處，為典型的藍光發射。表明此法制備的YPO4：Ce3+熒光材料發光性能較為理想。

參考文獻

[1]肖林久，孫彥彬，邱關明等，納米稀土發光材料的研究進展[J].稀土，2002（23）：46.

[2]Song H.， Yu L.， Lu S.， Wang T.， Liu Z.， Yang L. Remarkable differences in photoluminescent properties between LaPO4：Eu one-dimensional nanowires and zero-dimensional nanoparticles. Appl. Phys. Lett.，2004（85）：470-472.

[3]Yang P. P.，Quan Z. W.， Li C. X.， et a1. Solvothermal sunthesis and luminescent properties of monodisperse LaPO4：Ln（Ln=Eu3+，Ce3+，Tb3+） particles. J. Solid State Chem.， 2009 （82）： 1045-1054.

作者簡介：李芹（1980-），女，博士，副教授，主要從事稀土發光材料的研究與應用