综合实验-荧光材料.doc

实验：稀土掺杂荧光材料的制备与表征1、 实验目的以“稀土掺杂荧光材料的制备与表征”为研究课题，通过查阅书籍或文献选择一种目前在使用性能上相对成熟的荧光材料为研究对象，锻炼学生对材料制备和研究方法基础理论知识的融会贯通。通过本实验的学习，是学生在材料制备和研究的基本知识、基本方法和基本技能等方面受到较系统的训练，理论联系实际，培养学生的综合能力，良好的实验习惯以及严谨求实的科学作风提高学生科学实验的素质、创新精神。是学生较早的参加专业科研活动，为今后继续电子材料与元器件相关专业课程的学习奠定基础。2、 实验原理1. 半导体发光 根据现代能带理论，半导体的价带全部被电子填满，而导带全空，价带和导带之间的能量间隔为禁带，禁带宽度用Eg表示。当半导体从外界吸收能量（光、电、高能粒子等），价带的电子将被激发到导带，这个过程为吸收。被激发到导带的电子为非平衡载流子，它们可能自发地（普通光）或受激地（激光）从激发态跃迁到基态，恢复到平衡态，并将吸收的能量以光的形式辐射出来，这一过程叫做发射。半导体的吸收和发射也可以通过带隙中的局域能级进行，或者带间跃迁与局域能级间的跃迁相互交叉。对于间接带结构半导体，动量守恒要求声子参与才能完成光学跃迁，在直接带隙半导体中也可能发生声子参与的跃迁。在一般能量的激发下，主要是价电子参与光学跃迁，然后在高能激发下（如同步辐射或阴极射线），也可能发生内层电子参与的发光。处于激发态的电子不仅可能一光的形式进行辐射复合，而且可能以无辐射的形式（如发热）将吸收的能量释放出来。2. 分立的发光中心发光中心指半导体杂质与缺陷形成的复合体，其中能够进行辐射复合，产生特征的发光。一般分为两类：一类是分立发光中心，这类中心是封闭的，杂志与基质晶格的耦合作用较弱，光的发射是在中心内部完成的，不伴随光电导，而且基质晶体对发光波长影响不大，发光主要有发光中心决定；另一类叫复合发光中心，这类中心是开放的，杂质中心与基质晶格的耦合作用强，吸收在整个晶体中进行，依靠能量转移或碰撞激发，将能量传递到发光中心，发光来自导带与发光中心的复合，并伴随光电导，而且发光与基质的晶体结构和发光中心的结构都有关系。分立中心包括三价稀土离子中心和三价过渡金属离子中心。由于稀土离子的最外层电子为5s2和5p6满壳层结构，形成很好的电屏蔽作用，是稀土离子4f电子的发射基本上保持离子的特征，周围晶体场对稀土离子的作用很弱，发光起源于稀土能级间的跃迁，比较容易辨认；然后过渡族电子并不存在稀土4f电子层外的满壳层电子结构，所以3d电子跃迁受周围晶体场的影响较大，但是考虑到晶体场的影响，仍可以找到发光跃迁与过渡金属离子能级间关系。不论三价稀土离子中心（4f电子）还是三价过渡族金属离子中心（3d电子），只有在晶体场作用下，才可能发生组态内的跃迁。4f或3d电子的轨道量子数相同，因而宇称形同，根据“宇称相同状态之间的点偶极跃迁被禁戒”的选择定则，只有电四级（磁偶极）跃迁猜允许，但电四级跃迁的概率比点偶极跃迁要低的多。实际上，掺稀土离子或过渡族金属离子的半导体，这些离子中心的特征发光被激发，说明上述选择定则的禁戒被解除。正是在晶体场的扰动下，宇称相同状态之间的禁戒跃迁才被打破或部分被打破，才有稀土和过渡族离子发光中心丰富多彩的光谱。3. 荧光分光光度计主要部件：激发光源、激发单色器、发射单色器、样品池及检测系统组成。其结构如图3所示。荧光分光度计一般采用氙灯作光源，氙灯所发射的谱线强度大，而且是连续光谱、连续分布在250-700nm波长范围内，并且在300-400波长之间的谱线强度几乎相等。主要谱参数：激发光谱：荧光物质在不同波长的激发作用下测得的某一波长处的荧光强度的变化情况，也就是不同波长的激发光的相对效率发射光谱是某一固定波长的激发光作用下强度在不同波长处的分布情况，也就是荧光中不同波长的光成分的相对强度。4. Eu3离子的能级图跃迁过程与能量转化Eu3+离子的能级跃迁：5D07F1特征峰：591nm5D07F2特征峰：612nm，632nm5D07F3特征峰：655nm5D07F4特征峰：683nm，696nm，712nm三、实验条件实验药品：化学试剂，稀土氧化物（分析纯）。实验设备：电子分析天平，药匙，称量纸，玛瑙研钵，刚玉坩埚，球磨机（附带球磨罐和磨球），1200 oC1300 oC1600 oC气氛炉。测试仪器（结构与性能表征）：荧光分析仪（F-4600荧光分光光度计）。四、实验步骤包括：（以固相烧结法为例）1、查阅文献资料，合理选择研究对象，设计合理的实验方案2、以分析纯CaCO3、Gd2O3、Eu2O3、H3BO3为原料，第一份制成Eu3+含量为10%，化学式：CaGd0.9Eu0.1O（BO3）取产区约0.002mol，分别称取原料CaCO3：0.80072g，Gd2O3：0.3262g，Eu2O3：0.0353g，H3BO3：0.37098g；第二份制成Eu3+含量为12%，化学式：CaGd0.88Eu0.12O（BO3）取产区约0.002mol，分别称取原料CaCO3：0.80072g，Gd2O3：0.3190g，Eu2O3：0.04223g，H3BO3：0.37098g3、将两组称取好的粉料分别放入玛瑙研体中研磨，主要目的是使粉料充分的均匀混合和使粉料的颗粒减小，有利于烧结的进行，研磨时间大约30min。4、开始烧结，将研磨好的粉料放入刚玉坩埚中，并一起放入高温炉中，接通电源前调节仪器，将所有仪器的旋钮，打到最低，然后接通电源。将按钮打到设定，将烧结温度调整到1200，然后打到报警档，将报警温度设置为1200，再将按钮打到中间的位置，开始升温，通过调整旋钮，使安培表的指针始终保持在30-40数值之间。9：50时开始升温，14：30时报警，报警时开始计时，然后保温6个小时，20：30烧结结束，关闭仪器（关闭仪器时，先讲按钮旋至最低挡，然后才能关闭仪器电源开关！），再断开电源！让粉料自然冷却。5、取出烧结后粉料，放入玛瑙研钵中继续研磨30min左右6、将研磨后的粉料进行荧光分析，利用荧光分析仪（F-4600荧光分光光度计），画出激发光谱和发射光谱。首先对第一份材料，固定一个发射光波长615nm，装料，操作仪器，做出激发光谱，然后选定激发