淺析納米稀土含氧酸鹽材料的合成和發(fā)光性

＊喬 鑫

（包頭稀土研究院 內(nèi)蒙古 014020）

引言

稀土含氧酸鹽材料的研究主要采用水熱法和溶膠-凝膠方法來試驗探究，此次實驗中，先決條件是材料的制備，運用不同分析法分析材料性質(zhì)，通過分析試驗過程中的調(diào)驗數(shù)值，可結(jié)合具體需求，研制出具有不同性能的納米稀土含氧酸鹽發(fā)光材料。

1.研究納米發(fā)光材料的重要性和必要性

稀土元素的發(fā)光屬性，其光譜性多為內(nèi)部的離子電子層f-f和f-d原子躍遷所致，再根據(jù)稀土內(nèi)離子的分布及排布規(guī)律，創(chuàng)建稀土含氧酸鹽發(fā)光材料更多的發(fā)展空間。稀土含氧酸材料的結(jié)構(gòu)具有多樣性，其功能性也豐富，在光學(xué)及氣體專業(yè)領(lǐng)域備受推崇，稀土作為一種發(fā)光材料，具有優(yōu)良的性能，但需特別注意的是，這種材料的發(fā)光過程極易受到外界環(huán)境的干擾，應(yīng)用多種試驗方式能研制出不同形態(tài)和結(jié)構(gòu)的發(fā)光性材料，以便去適應(yīng)不同的需要。通過不同的研究分析，了解在不同形態(tài)結(jié)構(gòu)中的稀土含氧酸鹽發(fā)光材料其具備的發(fā)光性能有深刻的重大意義。

2.稀土發(fā)光材料的優(yōu)勢和特性

稀土含氧酸鹽發(fā)光材料穩(wěn)定特性強，如熱源穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性等，且其結(jié)構(gòu)較為獨特，更具備制造發(fā)光材料的基本化合物素質(zhì)。在稀土磷酸鹽發(fā)光材料中的陽離子含有非常豐富的格位，它能于外界晶體無任何改觀的條件下，使得稀土離子進入內(nèi)部，為增強光轉(zhuǎn)換性能，內(nèi)部穩(wěn)定離子電荷發(fā)揮作用，且抗射線輻射能力強，并具有耐高能電子束。此外，這種材料具有多種性能優(yōu)勢，如氣敏性和磁性強，且伴有催化活性能，依據(jù)不同性能在不同領(lǐng)域備受應(yīng)用，如研制出的磁光材料、介電材料和傳感器等領(lǐng)域。

稀土發(fā)光材料的優(yōu)勢可分為5點：

（1）稀土離子中可快速激活發(fā)光體，極易發(fā)現(xiàn)生成的摻雜和敏化情況；（2）稀土離子內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生的電子具有較長的壽命周期，遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于市面上普通的原子內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生的電子壽命周期；（3）稀土?xí)跃w發(fā)光向四周擴散，大量電子激活熒光體，即使發(fā)光體停止運作，依然能長時間持續(xù)發(fā)光；（4）稀土發(fā)光材料具備制造不同種類的發(fā)光體特性；（5）稀土發(fā)光材料具有的光學(xué)光譜非常豐富，并具有發(fā)光性能[1]。

3.稀土磷酸鹽發(fā)光材料與鈦酸鈣熒光材料實驗

主要的研究方向可分為3項：

（1）通過使用水熱法進行制備納米稀土含氧酸鹽發(fā)光材料RePO4·nH2O（Re=Eu、Nd、Pr；n=0、1），適當(dāng)將相關(guān)參數(shù)作調(diào)整和修改后，確定下來熱水溫度、pH值和不同結(jié)構(gòu)活性對材料結(jié)構(gòu)的影響。使用溶膠-凝膠研制CaTiO3:Pr3+的納米發(fā)光材料。

（2）在通過分析XRD、TEM、SEM的表面結(jié)構(gòu)特征，研究在不同實驗背景下合成出的材料結(jié)構(gòu)形態(tài)數(shù)據(jù)，分析出其材料在不同條件下受復(fù)雜因素的影響，了解其機理產(chǎn)生的主要原理。

（3）將材料進行對比，分析不同形態(tài)特征的發(fā)光屬性，如紅外線、紫外線及光致發(fā)光譜等，設(shè)定條件為水溫不變的情況下，分析熱水對EuPO4·H2O納米材質(zhì)的作用，以及對其發(fā)光強度的不同影響，研究多種水溫條件下，分析制成NdPO4·nH2O（n=0、1）納米材料對其發(fā)光強度的影響。與此同時，鉆研PrPO4納米材料基本發(fā)光屬性，經(jīng)調(diào)整不同參數(shù)、濃度和溫度，分析Pr3+濃度高低帶來的不同發(fā)光效果，以及對這一納米材料自身帶來的影響。

(1)稀土磷酸鹽發(fā)光材料的試驗步驟

充分應(yīng)用熱水法，研制性能優(yōu)良的材料，先確保此次實驗在溫和條件下進行，參照公式為NdPO4·nH2O（Re=Eu、Nd、Pr；n=0、1），此次實驗具體操作環(huán)節(jié)如下：

①選取適量調(diào)劑品Re3+，摻入去離子水，兩者充分?jǐn)嚢韬?，形成試驗溶液；②確定試驗試劑為NH4H2PO4，取適量去離子水，經(jīng)攪拌調(diào)配一定濃度的PO43-溶液；③取出適量PO43-溶液，采取緩慢滴入方式，加入到Re3+溶液中，兩者混合后給予充分?jǐn)嚢?，攪拌時間不能低于半小時；④為調(diào)節(jié)和衡量pH值，將氨水摻雜到溶液內(nèi)，此時需要大力攪拌；⑤將溶液充分?jǐn)嚢杈鶆?h后，將其裝入到高壓反應(yīng)釜儀器內(nèi)，適時把握水熱反應(yīng)，調(diào)控好時間和溫度；⑥最后，在冷卻后將產(chǎn)物進行洗滌，需保持在60℃以下干燥一定時間，最終取得試驗樣品[2]。

(2)鈦酸鈣熒光材料的試驗步驟

合成鈦酸鈣熒光材料具有多種方法，而溶膠-凝膠法最為實用和有效，該方法具有多種優(yōu)勢和價值，如產(chǎn)品均勻性好、發(fā)光性能強等，深受相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的推崇和應(yīng)用，其試驗操作具體如下：

①將六水硝酸普和醋酸鈣調(diào)配成一定比例，取適量與去離子水混合，同時加入無水乙醇和硝酸材料，經(jīng)攪拌均勻后，形成A溶液；②再取7ml的鈦酸丁酯，緩慢滴入到30ml的無水乙醇中，給予充分?jǐn)嚢?，確定pH值，調(diào)制而成B溶液；③將溶液調(diào)配成一定比例后，采取緩慢滴入方式，加入到B溶液中，均勻攪拌，水溫要在90℃且水浴在30min；④最后，將水浴后的產(chǎn)物在條件120℃的環(huán)境下干燥，在經(jīng)過800℃退火，最終制成實驗樣品[3]。

4.稀土納米含氧酸鹽材料的性能探究

(1)EuPO4·H2O表象的XRD物相分析

此次試驗中，于恒定溫度為180℃，恒定研究時間為2天，分析不同pH值下的合成實驗產(chǎn)物EuPO4·H2O的XRD也呈現(xiàn)不同形態(tài)。在pH=1值的條件下制成的實驗樣品比對標(biāo)準(zhǔn)卡片JCPDS20-1044，通過比對合成六方晶體材料EuPO4·H2O，其中表現(xiàn)圖的22°與27°的衍射峰為單斜晶系EuPO4（JCPDS83-0656）衍射峰；當(dāng)pH值分別為3、5和8的不同條件下，合成出的材料和標(biāo)準(zhǔn)卡JCPDS 20-1044相吻合，合成出的實驗產(chǎn)物六方晶體EuPO4·H2O材料為純相，其晶胞參數(shù)為：a=6.9055 A，b=6.9055 A，c=6.3257 A，y=120°，其空間群為P3121。

使用水熱法合成的六方晶相結(jié)構(gòu)EuPO4·H2O納米材料的試驗里，首先，在水熱為180℃、時間為24h，當(dāng)pH值參數(shù)不同條件下，研究試驗樣品，結(jié)果顯示若pH值為3、8條件下可以合成出六方晶相結(jié)構(gòu)的EuPO4·H2O納米材料；其次，在水熱時間24h，pH=5的環(huán)境條件下，水熱溫度不同為（120℃、150℃、180℃、200℃）中也可合成出六方晶相結(jié)構(gòu)的EuPO4·H2O納米材料；最后，在水熱時間24h，pH=5環(huán)境條件下，水熱溫度保持在180℃，再加入PEG與CTAB的條件下也均合成出六方晶相結(jié)構(gòu)的EuPO4·H2O納米材料。

(2)PrPO4的表象XRD物相分析

恒定研究溫度為180℃，研究試驗于2天內(nèi)完成，經(jīng)調(diào)整不同pH值，分析PrPO4的XRD，通過pH=1、3的條件下合成出的成品與標(biāo)準(zhǔn)卡JCPDS78-1025對比，最終合成為單協(xié)晶系PrPO4納米材料；在pH=5的條件下合成材料也為單協(xié)晶系PrPO4主相的納米材料，且在15°的條件下衍射峰為六方晶相的結(jié)構(gòu)PrPO4·H2O（JCPDS 20-0966）。

在水熱保持180℃，時間為24h且pH=1的環(huán)境條件下，合成的實驗產(chǎn)物為PrPO4的SEM材料。當(dāng)pH=1時，PrPO4實驗樣品為棒狀結(jié)構(gòu)的納米材料，此材料會出現(xiàn)很嚴(yán)重的團簇現(xiàn)象。

(3)分析總結(jié)

①通過采用水熱方法保持溫度在120-200℃的范圍內(nèi)且pH值為1-8的不同參數(shù)下，研制出的實驗合成物具有一致特性，如結(jié)晶好、形態(tài)均勻及大小相同等，此合成物為納米結(jié)構(gòu)PrPO4·nH2O（Re=Eu、Nd、Pr，n=0、1）材料。②于不同水熱環(huán)境下給合成稀土碳酸材料帶來不同影響。③于退火溫度800℃條件下，充分應(yīng)用溶膠-凝膠研究法、時間為12h的條件下，摻雜濃度不同Pr3+下合成出的成品結(jié)晶好且尺寸也一致的CaTiO3:Pr3+的材料，形成方塊狀物體。④在不同光線環(huán)境下，使用紫外-可見光吸收光譜（UV-Vis）和溫室光致發(fā)光的（PTPL）測試法，分析稀土含氧酸鹽納米材料構(gòu)造及光學(xué)特性。

5.實驗的創(chuàng)新與不足

本次通過水熱法來試驗納米稀土氧酸鹽材料的合成與發(fā)光性能，從實驗中發(fā)現(xiàn)出其創(chuàng)新性，主要包括：首先，通過采用水熱法研制合成出稀土磷酸鹽材料，在改變水熱反應(yīng)的pH值后，合成出了單協(xié)晶系NdPO4和六方晶相的結(jié)構(gòu)EuPO4·H2O材料；其次，發(fā)現(xiàn)在不同水熱環(huán)境條件下對稀土磷酸鹽材料在發(fā)光性能上的影響，通過研究分析EuPO4·n2O呈現(xiàn)紅色的發(fā)光特性；然后發(fā)現(xiàn)了NdPO4·nH2O（n=0、1）發(fā)光時出現(xiàn)紅色或近紅色，NdPO4·nH2O（n=0、1）結(jié)構(gòu)特性對納米材料及發(fā)光強度均有影響，最終得出結(jié)論為稀土鈦酸鹽CaTiO3:Pr3+熒光材料呈現(xiàn)出紅色發(fā)光的特性。

本次研究也存在不足之處，包括：使用水熱方法研制合成的納米稀土磷酸鹽材料在其生長機理特性方面還需深入研究；對納米稀土含氧酸鹽的發(fā)光性能上還需要拓展研發(fā)，同時還要對其氣敏性與光催性方面進行深入研究。

6.結(jié)語

如今光學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，其應(yīng)用涉及在不同領(lǐng)域中，各國都致力于發(fā)光性材料的研發(fā)制造上。本文以水熱和溶膠-凝膠法進行研究合成出納米稀土含氧酸鹽材料，并對其在不同環(huán)境條件下進行各種性能上的實驗，了解了此稀土含氧酸鹽材料在受不同條件下所產(chǎn)生的形態(tài)特性與發(fā)光性能，并提供出相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，以此為我國發(fā)光性能材料的研究發(fā)展提供幫助。