摻雜Sm3+的氧化鈰制備發光材料

王大忠，侯 磊，何財源，王鑫東，唐小芩，蔡麗娟

（西昌學院理學院 四川 西昌 615000）

1 引言

稀土發光材料由于實際生活各不相同的需要，對材料的各方面的物理化學性能也提出了各種各樣的要求，然而材料的性能與制作方法息息相關[1]。因此研究具有一定的選擇性和定向性，通過用環境友好、經濟、節能的方法對稀土發光材料的合成有重要的研究意義[2]。本文用熔鹽法制備SrCeO3：Sm3+的發光顆粒。

2 實驗藥品與設備

藥劑：硝酸鈰、氧化釤、硝酸、硝酸鉀、草酸、檸檬酸、聚乙二醇、氨水、鹽酸。實驗設備：分析天平、數顯恒溫水浴鍋、電熱恒溫鼓風干燥箱、低真空燒結爐、紫光燈。

3 原料與方法

稀土發光材料的制備合成方法會很大程度上影響到光學性質[3]。隨著新的發光材料的涌現，其合成方法也與時俱進[4]。常見稀土發光材料的合成方法有以下幾種[5]：溶膠-凝膠法、高溫固相反應法、熔鹽法、燃燒法和微波合成法等[6]。本文采用熔鹽法合成發光材料的實驗流程見圖1。

圖1 熔鹽法合成的流程圖

熔鹽法的基本原理及工藝流程：熔鹽法是先把鹽同反應物按一定的比例混合均勻，高溫加熱熔化，在鹽的熔體中進行反應[7]，冷卻后去除融熔鹽即可得所需的產物[8]。

SrCeO3：Sm3+粉體的制備：按化學計量比，精確稱取氧化釤和硝酸鈰，將其分別溶于硝酸溶液和蒸餾水中并攪拌，待其充分溶解后再將兩種硝酸鹽溶液充分混合，溶液呈現透明無色。上述溶液在攪拌下緩慢將草酸溶液滴加到溶液中，滴加完后，在溫度80 ℃的水浴鍋中進行陳化反應，得到乳白色的沉淀物，之后過濾洗滌，在130 ℃烘箱中干燥8 h得到白色粉末；按照n(Ce):n(K)=l:3在粉末中加入硝酸鉀，在研缽中充分磨混合后，在800 ℃焙燒3 h，將所得產物用去離子水進行多次洗滌、過濾、干燥，得粉紅色CeO2:Sm3+系列發光粉末。反應過程如下：

4 實驗結果及討論

4.1 前驅體粉末的熱分析和熱分解溫度的確定

前驅體粉末熱分析條件，升溫速率10 ℃/min，溫度區間0～1200 ℃，所得TG-DTA曲線見圖2。

圖2 前驅體粉末的TG-DTA曲線

由圖2可知，第1階段發生在40～256 ℃之間，這是前驅體粉末釋放吸附水以及脫結晶水的過程，恰對應240 ℃左右處的吸熱峰。第2階段檸檬酸鹽分解，其分解峰在256～350 ℃，有318 ℃的放熱峰，這一過程是前驅體粉末中的有機成分檸檬酸燃燒所致。第3階段發生在350～1000 ℃之間，在945 ℃有一個小的放熱峰，這是硝酸鹽發生分解生成 SrCO3和CeO2，SrCO3和CeO2之間發生相變反應生成SrCeO3的過程。溫度大于1000 ℃時，熱重曲線趨于平緩。為保證前驅體粉末能完全分解生成所需產物，選擇煅燒溫度為1000 ℃，燃燒時間4 h。

4.2 熱處理溫度對SrCeO3：Sm3+粉體發光強度的影響

其他條件恒定，將前驅體粉末在溫度800、850、900、950、1000和1050 ℃煅燒4 h，得到不同煅燒溫度下的樣品的發光強度見圖3。

圖3 不同溫度SrCeO3：Sm3+的發射強度

不同煅燒溫度所得樣品的發光強度不同，這是由于樣品晶相不同所造成的[9]，Sm3+在各晶相中所處的位置不同，繼而造成了發光強度在一定程度上的差異。當熱處理溫度升高，樣品的發光強度在一定程度上也不斷增高。原因在于熱處理溫度較低時得到的Sm3+結晶不完全，之后隨著溫度繼續升高，生成的粉粒徑增大，結晶越來越完整，則發光強度不斷提高。由發光強度確定熱處理溫度為1000 ℃。

4.3 熱處理時間對SrCeO3：Sm3+粉體發光強度的影響

在其他實驗條件不變的情況下，恒定熱處理溫度為1 000 ℃，分別煅燒1～5 h，所得樣品的發光強度見圖4。由圖可見樣品的發光強度與熱處理的時間呈正相關。這是因為隨著熱處理時間增加，生成的SrCeO3：Sm3+越多，晶型也逐漸完整。由SrCeO3：Sm3+的發光強度，確定SrCeO3：Sm3+產品煅燒時間為4 h。

圖4 不同熱處理時間SrCeO3：Sm3+的發射圖譜強度

4.4 Sm3+摻雜量對SrCeO3：Sm3+粉體發光強度的影響

在SrCeO3：Sm3+中，Sm3+的摻雜量對樣品的發光強度的影響是非常大的。測定不同摩爾濃度的Sm3+所制得的樣品的發光強度，通過數據分析，得出不同摻雜濃度的樣品的發光強度點線圖，見圖5。

圖5 Sm3+不同摻雜濃度的樣品的發光強度

由圖3～4可知，純相SrCeCO3不發光，當Sm3+的摻雜濃度較低時，激活的Sm3+較少，并且Sm3+之間距離遠，從而降低了發光離子的能量傳遞效率，故發光強度增加不多[10]。隨著增加Sm3+摩爾摻雜濃度，激活的Sm3+數量也逐漸增加，這提高了其吸收和傳遞的能量，從而使發光強度得到大大的提高；當Sm3+摩爾摻雜量為3 mol%時，發光強度最高。

5 結論

本文采用熔鹽法，以硝酸鈰為原料，以硝酸鉀為熔鹽，成功制備了SrCeO3：Sm3+粉末的橙紅色熒光粉。通過研究離子摻雜濃度、煅燒時間及煅燒溫度對稀土發光性質的影響，得出如下結論：SrCeO3：Sm3+粉末的橙紅色熒光粉，粒徑大小約為180 nm。合成SrCeO3：Sm3+的發光合成產品煅燒溫度為1000 ℃，煅燒時間4 h。當Sm3+的摻雜濃度為3 mol%時，紅色發光粉CeO2：Sm3+發光強度達到最強。