低溫燃燒法制備PDP用藍(lán)色熒光粉

王 巖

（甘肅土木工程科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730020）

0 引 言

彩色等離子體顯示器（PDP）以其優(yōu)異的平板顯示性能，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ拇笃聊黄桨屣@示器[1－3]。PDP是一種氣體放電的顯示器[4]，由美國(guó)伊利諾斯大學(xué)1964年發(fā)明。

作為三基色藍(lán)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(yīng)用于稀土三基色燈，目前更被廣泛應(yīng)用于PDP中。但是BaMgAl10O17：Eu2＋一般采用傳統(tǒng)的高溫固相法合成，需要1600℃以上的高溫長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)，不但能耗大，成本高，而且在此高溫下產(chǎn)物易于燒結(jié)，嚴(yán)重?fù)p害發(fā)光材料的發(fā)光性能。另一方面，BaMgAl10O17：Eu2＋在使用中的一個(gè)主要問題，即容易劣化，嚴(yán)重制約著PDP的性能，并降低了PDP的使用壽命。對(duì)藍(lán)色熒光粉的研究，近年來日本Tottori大學(xué)的Tanaka S[5]等發(fā)現(xiàn)新型熒光粉 CaAl2O4：Eu2＋比BaMgAl10O17：Eu2＋的熱穩(wěn)定性好，更能耐PDP中氣體放電所發(fā)射的真空紫外線（VUV）的轟擊，故被認(rèn)為有希望在PDP中得到應(yīng)用[6－8]。制備納米材料的方法有共沉淀法、靜電紡絲技術(shù)、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(duì)樣品發(fā)光性能的影響。

以尿素為燃料低溫燃燒法的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)方程式為：

1 實(shí) 驗(yàn)

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(xué)計(jì)量比稱取Eu2O3，用6mol／L硝酸溶解；再將其它按化學(xué)計(jì)量比稱取的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)火燃燒得樣品。

1.2 性能表征

采用日本理學(xué)D／max－ⅡB型X射線衍射（X－ray diffraction，XRD）儀測(cè)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(zhǎng)為0.02°。用日本日立F－4500型熒光光譜儀測(cè)量樣品的激發(fā)和發(fā)射光譜激發(fā)源為150W 氙燈。采用型號(hào)為JSM－6701F的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）測(cè)試分析樣品的形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 點(diǎn)火溫度對(duì)樣品發(fā)光性能的影響

在箱式電阻爐不同溫條件下，分別對(duì)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(gè)試樣進(jìn)行燃燒法合成，爐溫300～700℃范圍內(nèi)，每隔100℃進(jìn)行一次燃燒合成實(shí)驗(yàn)，當(dāng)點(diǎn)火溫度為300℃時(shí)，沒有燃燒現(xiàn)象，當(dāng)爐溫在400～700℃范圍內(nèi)，均可以觀察到燃燒現(xiàn)象，合成的產(chǎn)物均能在紫外線的激發(fā)后，發(fā)出較強(qiáng)的藍(lán)色光，如圖1所示。

圖1 不同點(diǎn)火溫度下合成CaAl2O4：Eu2＋的發(fā)射光譜

從圖中光譜（354nm激發(fā)）可以看出，隨著點(diǎn)火溫度升高發(fā)光強(qiáng)度變大，但發(fā)射峰的峰位并沒有隨點(diǎn)火溫度的改變而移動(dòng)，還是在440nm。爐溫為600℃時(shí)產(chǎn)物的發(fā)光強(qiáng)度最大，700℃時(shí)又呈下降趨勢(shì)。這可能是溫度過高時(shí)，即700℃燃燒反應(yīng)速度過快，使得熱量被瞬間產(chǎn)生的大量氣體帶走，參與反應(yīng)熱能量降低，同時(shí)降低了結(jié)晶性能，從而導(dǎo)致發(fā)光降低。

2.2 尿素用量不同對(duì)樣品發(fā)光性能的影響

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

從圖中可以看出，隨著尿素用量增加發(fā)光強(qiáng)度變大，但發(fā)射峰的峰位并沒有隨尿素用量的改變而移動(dòng)，還是在440nm。尿素用量為理論用量的0.5倍時(shí)不發(fā)光，而在1～2倍理論用量范圍內(nèi)制得的產(chǎn)物發(fā)光強(qiáng)度較大，尤以尿素用量為1.5倍時(shí)產(chǎn)物的發(fā)光強(qiáng)度最大。尿素用量在2倍以上時(shí)發(fā)光強(qiáng)度又下降，這是因?yàn)槟蛩剡^量時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)生大量的氣體帶走大量的熱，導(dǎo)致合成溫度降低。

圖2 不同尿素用量時(shí)合成CaAl2O4：Eu2＋的發(fā)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(shí)制得的樣品不但疏松、硬度小、粒度細(xì)小，膨化最好。

2.3 稀土摻雜濃度對(duì)發(fā)光樣品性能的影響

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

圖3 不同濃度Eu2＋摻雜下合成CaAl2O4：Eu2＋的發(fā)射光譜

從圖3可見，通過對(duì)CaAl2O4基質(zhì)摻雜不同濃度的Eu2＋離子，樣品的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度發(fā)生變化，但發(fā)射峰的峰位并沒有隨Eu2＋濃度的改變而移動(dòng)，還是在440nm。當(dāng)激活劑濃度過低時(shí)，發(fā)光中心數(shù)量較少，發(fā)光強(qiáng)度較低，隨著濃度加大，發(fā)光中心數(shù)量增加，在被紫外線輻射時(shí)產(chǎn)生更強(qiáng)的藍(lán)光，在濃度為8at%時(shí)發(fā)光強(qiáng)度最強(qiáng)，但濃度超過8at%時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生濃度猝滅，使發(fā)光強(qiáng)度降低，所以Eu2＋的摻雜量應(yīng)在8at%為宜。

2.4 樣品的XRD圖

點(diǎn)火溫度為600℃、尿素用量為理論用量的1.5倍，Eu2＋濃度為8at%時(shí)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(duì)，合成的基質(zhì)主晶相為CaAl2O4。

2.5 CaAl2O4：Eu2＋的激發(fā)與發(fā)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(fā)，440nm為發(fā)射光譜的最強(qiáng)峰。位于354nm的激發(fā)峰的產(chǎn)生是由于 Eu2＋的4f7（8S7／2）→4f65d（T2g）的基態(tài)躍遷，而440nm發(fā)射峰對(duì)應(yīng)的是Eu2＋的4f65d→4f7的躍遷，屬于藍(lán)光發(fā)射。

2.6 SEM 分析

點(diǎn)火溫度為600℃，尿素用量為理論用量的1.5倍，Eu2＋濃度為8at%時(shí)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(jié) 語

采用低溫燃燒法制備了PDP用藍(lán)光CaAl2O4：Eu2＋。樣品具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)，且點(diǎn)火溫度、尿素用量、Eu2＋濃度對(duì)樣品性能有很大影響。樣品的發(fā)光峰值位于440nm，對(duì)應(yīng)的是Eu2＋的4f65d→4f7的躍遷，屬于藍(lán)光發(fā)射。而激發(fā)峰位于354nm，其產(chǎn)生是由于Eu2＋的4f7（8S7／2）→4f65d（T2g）的基態(tài)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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