Tb3+和Mn2+離子共摻雜LaPO4的制備方法及其表征

毛微曦，王 童，李 姝，楊智超，肖玉旋，屈文歡，魏 珍

(河北北方學(xué)院 理學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

稀土發(fā)光材料由于其優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，在照明、顯示、顯像和探測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價(jià)值[1-2]。稀土摻雜磷酸鹽是21世紀(jì)各類熒光工程的支撐材料，由于其合成溫度低、顆粒細(xì)、發(fā)光性能獨(dú)特、發(fā)光范圍廣、發(fā)光性能高效穩(wěn)定、安全無毒等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，廣泛應(yīng)用于照明、顯示、顯像、探測(cè)和激光等領(lǐng)域[4-5]。

稀土離子的發(fā)光特性，主要取決于稀土離子4f層電子的性質(zhì)，隨著4f層電子數(shù)的變化，稀土離子表現(xiàn)出不同的電子躍遷形式和豐富的吸收與發(fā)射光譜。在稀土離子中，Sc3+、Y3+、La3+呈現(xiàn)光學(xué)惰性，La3+的電子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不易被激發(fā)，同樣呈現(xiàn)光學(xué)惰性。因此這幾種稀土離子常用來作為摻雜其他發(fā)光稀土離子的基質(zhì)材料[6]。從Ce3+到Y(jié)b3+的13種元素，它們?cè)?f層電子中的未成對(duì)獨(dú)立電子容易被激發(fā)由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，從而產(chǎn)生發(fā)光效應(yīng)[7]，且電子能級(jí)豐富，可產(chǎn)生不同顏色的光，因此含有稀土的無機(jī)化合物在光學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。稀土摻雜材料的發(fā)光主要依靠4f層電子在f-d組態(tài)之間、f-f組態(tài)之內(nèi)的躍遷以及配體向稀土離子電荷躍遷。電子在f-d之間的躍遷通常是電子在4fn-4fn-15d軌道間躍遷，其產(chǎn)生的光壽命較短且發(fā)光帶寬較寬，這類稀土離子有Eu2+、Ce3+和Yb2+等。

過渡金屬離子電子組態(tài)為dn，可以作為發(fā)光材料的激活劑。又由于過渡金屬離子具有非滿殼層結(jié)構(gòu)，從基態(tài)到激發(fā)態(tài)能級(jí)之間的能隙相當(dāng)于1個(gè)光子的能量，因此在一定的環(huán)境下，過渡金屬離子被激發(fā)后可以產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。但過渡金屬離子的3d電子層裸露在外層，這與稀土離子的電子結(jié)構(gòu)極大不同，因此其發(fā)光光譜也與稀土離子發(fā)射的銳線光譜不同，通常情況下過渡金屬離子發(fā)光光譜是寬帶且其發(fā)光性能受到外界晶體場(chǎng)影響較大[8-9]。

當(dāng)前階段，關(guān)于稀土磷酸鹽的研究很多，在稀土磷酸鹽發(fā)光材料結(jié)構(gòu)的合成與表征及熒光性能研究等各個(gè)方面都已經(jīng)有了很大的進(jìn)展。但是該材料探索改變發(fā)光材料的發(fā)光效率、發(fā)光的穩(wěn)定性能、發(fā)光色度的可調(diào)性及影響機(jī)制等的相關(guān)應(yīng)用研究還有待深入。同時(shí)，未發(fā)現(xiàn)有過渡金屬離子與鋱共摻雜稀土正磷酸鹽發(fā)光材料的相關(guān)報(bào)道。因此，課題組合成過渡金屬離子Mn2+與鋱共摻雜稀土正磷酸鹽發(fā)光材料，通過X射線衍射、紅外光譜、熒光光譜和熱重分析等測(cè)試方法來篩選一種發(fā)光性能優(yōu)秀的新型共摻雜磷酸鹽發(fā)光材料。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

1.1.1 設(shè)備

分析天平FA1204B 鄭州南北儀器設(shè)備有限公司

超純水機(jī)JYEC-10 北京嘉遠(yuǎn)環(huán)?？萍加邢薰?/p>

恒溫加熱磁力攪拌器DF-101S 鄭州生化儀器有限公司

實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)PHSJ-3F 上海精密儀器儀表有限公司

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱DHG-9036A 天津市三水科學(xué)儀器有限公司

高速臺(tái)式離心機(jī)GT16-3 北京時(shí)代北利離心機(jī)有限公司

X射線衍射儀DX-2500 丹東方圓儀器有限公司

1.1.2 試劑

六水合硝酸鑭[La(NO3)3·6H2O，A.R.,北京百靈威有限公司]

六水合硝酸鋱[Tb(NO3)3·6H2O，A.R.,北京百靈威有限公司]

磷酸二氫銨(NH4H2PO4，A.R.,北京百靈威有限公司)

氫氧化銨(NH3·H2O，A.R.,北京百靈威有限公司)

硝酸(HNO3，A.R.,北京百靈威有限公司)

四水合硝酸錳[Mn(NO3)3·4H2O，A.R.,北京百靈威有限公司]

溴化鉀(KBr，S.P.,國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司)

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3 LaPO42%Tb3+,X%Mn2+樣品的表征

使用DX—2500X型X射線衍射儀(X-ray powder diffractometer,XRD)對(duì)LaPO4∶2%Tb3+,X%Mn2+樣品進(jìn)行物相分析，聯(lián)機(jī)采集XRD數(shù)據(jù)，測(cè)試條件為銅靶，管流電壓40 kV，工作電流30 mA，掃描步寬0.02°，掃描速度0.1 sec/step，掃描2θ范圍為5°～90°；對(duì)所檢測(cè)的數(shù)據(jù)采用MDI Jade 6.5進(jìn)行分析；采用FL-4600型熒光光譜儀分析樣品的熒光性能，以Xe燈做激發(fā)源室溫測(cè)試；以溴化鉀(KBr)作為紅外光譜壓片填充劑，使用FTIR-650紅外光譜儀在4 000～400 cm-1測(cè)定配合物的紅外光譜，收集紅外光譜數(shù)據(jù)；采用PTC-10ATG-DTA熱重差熱分析儀對(duì)樣品進(jìn)行熱分析，升溫速率為10 ℃/min，氮?dú)鈿夥铡?/p>

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 樣品的物相測(cè)試

圖1 LaPO4∶2%Tb3+，X% Mn2+(X=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.8、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0)摻雜量不同的XRD衍射圖

2.2 樣品的熒光光譜分析

圖2 LaPO42%Tb3+,X%Mn2+(X=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.8、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0)熒光光譜圖

2.3 樣品的紅外光譜分析

圖3 LaPO42%Tb3+(紅線)和LaPO42%Tb3+，3%Mn2+(黑線)樣品的紅外圖譜圖

2.4 樣品的熱重分析

圖4 LaPO42%Tb3+，0.8% Mn2+摻雜的熱重曲線

3 結(jié)論與討論