稀土摻雜納米材料的制備及研究

姜霽濤

(甘肅稀土新材料股份有限公司，甘肅 白銀 730922)

根據(jù)目前的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一般對晶粒尺寸在納米級的材料稱為納米材料。納米材料具有十分多的優(yōu)點是納米材料在各行各業(yè)的應(yīng)用當(dāng)中都有十分重要的一個體現(xiàn)，尤其納米材料在電磁學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域，它具有十分明顯的一個優(yōu)勢，自從20世紀(jì)60年代實現(xiàn)了稀土氧化物的高純化之后，稀土發(fā)光材料有了一個十分大的進展。目前對于納米材料研究的一個重要的方向是對稀土摻雜納米材料。因為稀土摻雜納米材料它具有十分明顯的光學(xué)性能和在熒光生物標(biāo)記方面有十分顯著的優(yōu)勢。

1 稀土摻雜納米材料制備方法

（1）液相法。液相法制備稀土摻雜納米材料是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)和實驗室中普遍采用的方法，通過溶液中不同的離子和分子發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)、絡(luò)合反應(yīng)、水解反應(yīng)或聚合反應(yīng)產(chǎn)生固體沉淀，對反應(yīng)過程中的溫度、反應(yīng)物濃度以及攪拌速度等進行調(diào)整和控制，便能夠得到尺寸在納米級別的固體顆粒，液相法操作過程比較簡單，原料成本低，控制效果好，產(chǎn)物純度高，在實際材料制備過程中有十分廣泛的應(yīng)用。主要的液相法制備稀土摻雜納米材料方法如下所示。

①水熱法。在高壓釜中以水溶液為反應(yīng)體系，加熱到臨界溫度，產(chǎn)生高壓環(huán)境進行材料制備的方法為水熱法，水熱法能夠有效合成超細微粉，反應(yīng)速度快，安全性好。合成的產(chǎn)品純度較高，分散性好，且無需做高溫處理，能夠防止粉體硬團聚。但是相對于其他方法來說，水熱法需要用到高壓設(shè)備，制備成本較高，所得產(chǎn)物的發(fā)光能力較弱，因此利用水熱法進行的稀土摻雜納米材料制備和改進工作還存在一定的難度[1]。②沉淀法。沉淀法在進行稀土摻雜納米材料制備方法當(dāng)中具有十分多的一個優(yōu)點，它能夠大大的降低成本并且它的制作工藝也比較簡單，所需要的時間也十分的短，經(jīng)常應(yīng)用在工業(yè)化的生產(chǎn)過程當(dāng)中。但是在進行生產(chǎn)的過程當(dāng)中，由于沉淀法得到的納米材料，它的顆粒直徑比較大，產(chǎn)物純度十分的低。這也嚴重的制約了沉淀法的使用。因此還需要通過其他更多的方法來更好的研究對稀土摻雜納米材料的制備。③溶膠-凝膠法。溶膠-凝膠法是一種常用的納米材料制備方法，把無機鹽類或者金屬醇鹽協(xié)調(diào)水解的到均相溶液中，加入鰲合劑、催化劑、溶劑等形成無流動性的水溶膠，然后將其轉(zhuǎn)化為均勻凝膠，除去凝膠中的酸根、水和有機物并進行熱處理和干燥，就可以得到納米粉體材料。與其他制備方法相比，溶膠凝膠過程更容易控制，摻雜過程簡單，比較適合于制備粒徑小，純度高，化學(xué)活性高，分布窄的非晶態(tài)材料。但溶膠-凝膠法相對來說制備時間過長，成本較高，反應(yīng)過程不容易控制，最終制備納米顆粒的質(zhì)量得不到有效保障，從而會影響最終摻雜的效果[2]。④燃燒法。燃燒法將有機燃料和金屬的硝酸鹽互相混合于水溶液當(dāng)中，蒸發(fā)水分，發(fā)生爆炸性的化學(xué)反應(yīng)，爆炸產(chǎn)生的熱量會加快產(chǎn)物的生成，抑制顆粒的生長，從而能夠得到納米尺寸的材料。材料尺寸可以通過改變反應(yīng)物的比例進行調(diào)整，燃燒法是一種高效節(jié)能的合成方法，燃燒的氣體可以防止稀土材料中各種過渡元素被氧化，合成溫度較低，安全性好，有十分重要的應(yīng)用價值。將不同濃度的氨基酸和硝酸稀土在蒸發(fā)皿中進行充分的混合，可以得到前驅(qū)體溶液，加熱至迅速燃燒，燃燒結(jié)束之后會得到白色疏松的泡沫狀固體，該固體具有良好的光學(xué)性能，制得的產(chǎn)物純度較高，呈泡沫狀疏松的狀態(tài)，容易粉碎。但通過這種方法制備的稀土摻雜材料的發(fā)光亮度不容易受到破壞，穩(wěn)定性較高，可以有效節(jié)約能源資源，降低生產(chǎn)成本。但燃燒法會在燃燒的過程中產(chǎn)生氨等不良氣體，對環(huán)境產(chǎn)生一定的危害，所以燃燒法在實際工業(yè)中應(yīng)用的范圍依然存在一定的局限。⑤微乳液法。在此處還要介紹的一種方法就是微乳液法。通過兩種目前互不相溶的溶劑，在表面活性劑的幫助之下形成一種均勻穩(wěn)定的乳液。來更好的調(diào)控溶劑的濃度。

微乳液法可以將整個反應(yīng)過程控制在一個十分細小的球形液滴之內(nèi)避免顆粒間的團聚很好的，改善了前面對于沉淀法制備的一個缺點。微乳液法制備的納米，它的力度可以能夠達到一個很好的有效和控制，并且能夠更容易的得到分布窄并且分散性好的一個材料相比較其他的方法有著十分明顯的一個優(yōu)勢，但是它的表面活性劑在某種程度上會影響納米的質(zhì)量。

（2）固相法。目前固相法是制備納米的一項比較傳統(tǒng)的一個工藝，它的制備方法十分的簡單成本也十分的低，但是他的產(chǎn)量確實很高，在實際稀土摻雜納米材料制備的過程當(dāng)中，具有十分廣泛的一個應(yīng)用，目前固相法主要包括兩種納米材料制備的方法，但是這兩種方法對于納米顆粒的分散性都不好，所以說將會最終的影響稀土摻雜納米材料發(fā)光的性能。

（3）氣相法。氣相法是常用的制備納米材料的方法，也被廣泛用于制備稀土摻雜納米材料。氣相法直接利用氣體或其他方式，把反應(yīng)原料轉(zhuǎn)化為氣體，在氣體條件下完成各種物化反應(yīng)，然后冷凝得到超細固體顆粒。氣象法原料精煉容易，粒度分布均勻，粒度大小調(diào)整簡單，產(chǎn)物純度較高。但是氣相法往往需要借助激光設(shè)備生產(chǎn)，激光器相對來說效率較低，電能消耗大，無法實現(xiàn)稀土摻雜納米材料的規(guī)模化生產(chǎn)。

2 稀土摻雜納米材料未來發(fā)展方向

稀土摻雜納米材料具有很多優(yōu)越的性能，在各種領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力，尤其是在一些發(fā)光材料領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展尤其是納米材料科學(xué)技術(shù)的進步，目前已經(jīng)有很多種方法可以制備出不同組成、不同結(jié)構(gòu)以及不同尺寸的納米發(fā)光材料。同時，測試技術(shù)的不斷發(fā)展進步也為稀土摻雜納米材料的檢測和探究提供了技術(shù)支持。研究人員可以利用多種表征手段對稀土摻雜納米材料的光學(xué)性能進行表征，明確所得材料的各種參數(shù)，為后續(xù)材料的應(yīng)用進行指導(dǎo)。在實際進行稀土摻雜納米材料的制備過程中也存在著各種各樣的問題，比如納米顆粒中的激活劑的分凝和分布問題，電子-聲相互作用和體材料的不同問題，越過界面能量傳遞機制的變化問題等。在進行稀土摻雜納米材料制備和應(yīng)用過程中，要不斷利用先進的科學(xué)技術(shù)和制備復(fù)合技術(shù)手段，發(fā)展高分辨率的光譜研究，建立起系統(tǒng)科學(xué)的稀土摻雜納米材料制備與應(yīng)用體系，不斷加強對制備方法的探索和創(chuàng)新，從而能夠利用最小的能耗在最短的時間制備出顆粒小、分散均勻、高晶度、發(fā)光性能好、穩(wěn)定性高的材料。

3 結(jié)語

綜上所述，稀土摻雜納米材料在光電子學(xué)和電子學(xué)的發(fā)展過程中有至關(guān)重要的作用，納米摻雜材料具有很多獨特的性能，解決了很多行業(yè)采用常規(guī)方法無法解決的問題，具有十分重要的應(yīng)用價值，也是未來科技發(fā)展的重要方向。本文主要通過對稀土摻雜納米材料的主要制備方法進行研究，指出了稀土摻雜納米材料未來的發(fā)展方向和發(fā)展趨勢，希望能夠提高納米材料摻雜效率，保證稀土摻雜納米材料的性能，為相關(guān)行業(yè)的研究提供一定的參考。