溶膠凝膠法制備鋱離子摻雜的鋅硼硅體系長余輝發(fā)光玻璃

李晶華 張明熹＊ 王偉 趙晨晨 蔡永豐 黃超 劉文靜 李鋒鋒

(1.河北聯(lián)合大學輕工學院,河北唐山 063000;2.唐山科技職業(yè)技術(shù)學院冶金系,河北唐山 063000)

溶膠凝膠法制備鋱離子
摻雜的鋅硼硅體系長余輝發(fā)光玻璃

李晶華1張明熹1＊王偉2趙晨晨1蔡永豐1黃超1劉文靜1李鋒鋒1

(1.河北聯(lián)合大學輕工學院,河北唐山 063000;2.唐山科技職業(yè)技術(shù)學院冶金系,河北唐山 063000)

采用溶膠凝膠法制備了離子摻雜的鋅硼硅體系長余輝發(fā)光玻璃。通過對發(fā)光玻璃進行X-射線衍射分析、差熱分析、紅外光譜分析,考察了玻璃的非晶結(jié)構(gòu)以及合成過程中物理化學變化,研究了Tb3+摻雜濃度對玻璃的長余輝性能的影響。結(jié)果表明,鋱離子濃度為1.0%時制得余輝性能良好的發(fā)光玻璃。

長余輝發(fā)光玻璃 溶膠凝膠 ZnO-B2O3-SiO2Tb3+

1 引言

余輝過程是指物體在某種外界作用激發(fā)下偏離了平衡態(tài),儲存了激發(fā)能,當激發(fā)停止以后發(fā)出光。相對于晶體而言,玻璃在長余輝方面具有較強的優(yōu)勢。在玻璃中摻雜較高濃度的稀土激活離子,形成有效的發(fā)光中心和陷阱中心,從而可以獲得良好的長余輝發(fā)光。此外,玻璃具有均勻透明并且易于加工成各種形狀的特點,例如纖維和大尺寸平板,已被廣泛用作實現(xiàn)顯示、光電轉(zhuǎn)換、傳感、光電信息等功能的基質(zhì)材料[1,2]。玻璃態(tài)的長余輝發(fā)光材料可以應用于激光、光學放大器、光通訊、儲能和顯示等諸多領域,有著更加廣闊的發(fā)展前景。

2 實驗

按配比稱取一定量的氧化鋱溶于適量濃硝酸中,再量取一定配比的無水乙醇和正硅酸乙酯,混合均勻,然后按配比配制的硝酸鋅和硼酸的混合溶液,將上述配制好的三種溶液混合,使用恒溫磁力攪拌器攪拌1h,加入檸檬酸,繼續(xù)攪拌得到溶膠,以氨水調(diào)節(jié)pH值,將溶膠水浴加熱得到凝膠,放入烘箱中干燥24h得到粉末,將粉末高溫煅燒1～2小時,退火得到余輝玻璃。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 X-射線衍射分析

圖1是組成為60ZnO-20B2O3-20SiO2∶1.0% Tb3+的XRD圖譜。圖譜為典型的玻璃彌散峰,沒有晶相存在,意味著此物質(zhì)是無定形態(tài),為非晶體結(jié)構(gòu)。

圖2 差熱分析

3.2 差熱分析

圖2是組成為60ZnO-20B2O3-20SiO2∶1.0% Tb3+干凝膠樣品的差熱—熱重曲線。從曲線上可以看出,盡管凝膠已在60℃條件下干燥,但在159℃處有一個慢吸熱峰,而且失重曲線上有一定的重量損失,說明還有部分水分或有機物的移出。由分析可知,在177.9℃的尖銳放熱峰是檸檬酸的分解引起的(檸檬酸的分解溫度在153℃左右),伴隨重量損失[3]。而240.7℃,331℃,423℃,564.7℃處的慢吸熱谷是封閉在Si-O-B-O網(wǎng)絡內(nèi)部的結(jié)構(gòu)水(內(nèi)部羥基)的脫出引起的。在1000℃以后熱重曲線上幾乎沒有變化,樣品趨于恒重[4]。

表1 鋱離子濃度對玻璃發(fā)光性能的影響

3.3 鋱離子濃度對余輝性能的影響

本實驗研究了Tb3+濃度摩爾比分別為0.1%、0.5%、1.0%、

圖4 組成60SrO-20MgO-20SiO2玻璃樣品的余暉衰減曲線

2.0%,制得玻璃的長余輝發(fā)光性能。其性能結(jié)果如表1所示。

由表中結(jié)果可以看出,隨著鋱離子濃度的增加,材料中陷阱的濃度也隨之增大,故而產(chǎn)生的余輝現(xiàn)象較好,濃度為1.0%時得到最好的余輝玻璃。但當鋱離子濃度過大時,難以形成玻璃。

圖4為組成660ZnO-20B2O3-20SiO2∶1.0% Tb3+玻璃樣品在254nm紫外燈激發(fā)20min后測得的587nm發(fā)光的余輝衰減曲線。余輝衰減由快衰減和慢衰減兩個過程。

4 結(jié)語

采用溶膠凝膠法制備出了鋱離子摻雜的長余輝發(fā)光玻璃,并對其合成過程、非晶結(jié)構(gòu)以及鋱離子摻雜濃度等因素進行了研究,得出結(jié)論如下∶

(1)從XRD圖譜中可以發(fā)現(xiàn),沒有晶相存在,是典型的玻璃彌散峰。

(2)Tb3+濃度在0.05%～1.0%范圍之間,隨著Tb3+濃度的增加會使余輝強度增加,余輝時間延長,余輝衰減均由快衰減和慢衰減兩個過程。

[1]張俊英,張林,王天民.長余輝發(fā)光玻璃的研究進展[J].材料導報,2009,17(4):17-20.

[2]李成宇.發(fā)光玻璃的研究-稀土長余輝玻璃[D].長春:中國科學院長春應用化學研究所,2002.

[3]孫心媛,顧牧.Tb3+摻雜硅酸鹽玻璃發(fā)光性能的濃度依賴關系[J].上海:同濟大學,21(6):2006.

[4]楊靖.長余輝發(fā)光材料的機理及應用[J].本溪冶金高等專科學報,2004,12(4):6-12.

Tb3+-doped ZnO-B2O3-SiO2long lasting glass preproducted by sol-gol method in this resreach.Amorphous structure, synthetic process and the physical-chemical reactions of glass were detected by X-ray diffraction analysis, ifferential thermal analysis and infrared spectroscopic analysis. Meanwhile the effect of Tb3+concentration on phosphorescence was researched.The results was showed that phosphorescence was the most excellent when the concentration of Tb3+was 1.0%.

Luminescent glasses sol-gel ZnO-B2O3-SiO2Tb3+

項目資助:河北省唐山市科技局項目(131302107b),河北聯(lián)合大學輕工學院科研基金項目,河北聯(lián)合大學輕工學院大學生科技創(chuàng)新活動立項。

李晶華(1990—),女,研究方向:無機發(fā)光材料。

張明熹(1981—),女,講師,主要從事功能材料的研究。