柠檬酸与热处理控制氟化物颗粒度及发光.doc

长春理工大学本科毕业论文柠檬酸与热处理控制氟化物颗粒度及发光 性能的研究28摘 要上转换发光材料能够将人眼看不见的红外光转变为可见光，这一特性使得上转换发光材料在上转换激光器、红外探测、生物检测等诸多领域都具有广阔的应用前景。本文简单介绍了上转换发光材料的制备方法和发光原理，以柠檬酸为燃料，采用低温燃烧法制备掺铒的氟化钇钠钡。重点研究柠檬酸的含量、后处理温度和后处理时间对物相形成、发光性能的影响。以样品发射光谱中1550nm处的发光强度为标准，分析得出制备样品在1550nm处取得最佳发光的柠檬酸比重为0.25倍，最佳后处理温度650，保温时间45min。关键词 柠檬酸 上转换发光材料 低温燃烧 发光性能 ABSTRACT.Key words： citric acid ； upconversion luminescence； low temperature combustion； luminescence properties目录第1章 绪 论1.1上转换发光材料的定义及其分类发光是某物质在受到外界某种作用的激发下，体系偏离原来所具有的平衡态，在恢复到平衡态的过程中，其多余的能量以光辐射的形式释放出来的现象，它是一种叠加在热辐射背景上的非平衡辐射。即当一种物质受到比如光照、外加电场或电子束轰击等的外界激发后，体系吸收外界能量，处于激发状态，并且在跃迁回到基态的过程中，所吸收的能量会通过光或热的形式释放出来，如果这部分能量是以光的电磁波形式辐射出来，那就是就是发光1。对于各类发光现象，根据其被激发的不同方式，通常可分为光致发光、电致发光、阴极射线发光、X射线及高能粒子发光、化学发光和生物发光等2。 光致发光是用光激发发光体所引起的发光现象.它共经过吸收、能量传递及光发射这三个阶段。光的吸收以及光的发射发射都发生于能级之间的跃迁，都经过激发态，而能量传递是由于激发态的运动。光致发光材料中，吸收低光子能量的长波辐射，发射出高光子能量的短波辐射，即材料的激发谱带位于其相应的激发谱带的短波一侧，这种发光现象是反Stokes效应的，因此被称为上转换发光材料。 基质材料一般不能因受到激发而发光，但它能为激活离子提供合适的晶场，使其产生发射.长期以来，寻找能获得高的上转换发光效率且具有较高稳定性的基质材料一直是上转换发光材料所研究的重点。一般来说，基质材料主要可分为卤化物体系、氧化物体系和硫化物体系三大类。1.2氟化物体系上转换材料基质特性稀土发光材料在激光器、光纤放大器、防伪技术和显示技术等方面引起了人们的广泛关注。作为发光的基质材料，氟化物因为具有声子能量低、离子性强、多声子弛豫率小，电子云扩散效应小等特点，从而发光效率较高，可以用于光能储存、传递、转换和放大，并且其电、磁性能和光学性能得到了普遍的应用3，因而作为功能材料受到了科学界的广泛关注。尤其是稀土掺杂氟化物体系的光功能特性，更是举世瞩目。 相对于其它发光材料的基质(如氯化物、氧化物、硫化物等)来说，氟化物具有多样性的结构特点和特殊的物理化学特性。氟是化学元素周期表中电负性最强的元素，其解离能极低，与氟成键所生成的热通常较大，几乎可以与元素周期表中所有的元素发生化学反应，并且所形成氟化物的结构可以从AF型到AaBbFp型。氟化物的物理化学特性主要表现为：（1）离子性强，氟化物是良好的离子导体4，具有相当高的离子电导率，吴大雄等5采用水溶液沉淀法成功制备了晶粒尺寸约为17nm的LaF3粉体，并采用真空压结法制备了纳米级LaF3块体，为日后研究纳米LaF3的离子电导率奠定下了良好的基础；（2）折射率小，氟化物用作光放大材料极易于与基质匹配，可避免严重的光散射，减少了光的传输；（3）绝缘性强，由于氟的电负性很大，氟化物具有较大的能隙，只有在极端的条件下才可以导电；（4）光学透光区域宽，利用氟化物作为发光基质，可以将红外光转换为红、绿、蓝甚至是紫外光。 1.3上转换材料的应用反斯托克斯发光现象的发现不经具有深刻的理论意义，而且具有广阔的应用前景。主要包括激光防伪、三维显示、平板显示、液晶显示的背光源、光学温度传感器、太阳能电池、以及生物标记和医学诊断等。随着上转换发光材料研究的不断深入和制备技术的不断发展，上转换发光材料在各个领域的应用范围还将不断拓宽。上转换研究的一个主要应用是以它为泵浦机制实现红、绿、蓝波段激光器。最早的上转换激光器在1971年就已经出现，LEJohns等人在77K的低温下用红外光激发Yb3+，Ho3+：BaY2F8和Yb3+，Er3+：BaY2F8晶体，实现550nm和670nm的绿色及和红色激光。由于效率低，而且需要在低温下工作，此后这类研究未得到重视。八十年代后期，由于近红外半导体激光器的出现及迅速商品化，为上转换激光器提供了小巧的泵浦源，上转换激光器得到重视，并迅速发展。特别是错系玻璃的出现，使上转换光纤激光器成为可能。1990年，J.Y.Allain等人首次在77K低温下实现了Tm3+：ZBLAN光纤455nm和480nm蓝色激光，得到了最早的上转换光纤激光器。同其他激光器相比，光纤激光器所具有的诸多优点，如结构简单、效率高、成本低等，上转换光纤激光器是目前最有效的上转换激光器。上转换的另一重要应用是三维立体显示。当今时代是信息革命的时代，随着科学技术的发展，人们已经不满足于现有的信息成果。在显示领域中，由于经济、科技、教育、交通等领域的需要，以实现逼真及大容量信息显示的三维立体显示越来越适应人们的要求，并要求显示器能够显示更多、更快和更复杂的立体图象。上转换三维立体显示正是适应这种要求而产生的，它不仅可以再现各种实物的立体图像，而且可以随心所欲的显示各类计算机处理的高速动态立体图像，它的基本原理是，利用两束红外激光交叉作用于上转换材料，经过两级共振吸收，使发光中心被激发到高激发态能级，向下能级跃迁产生可见光发射，两束激光的交叉点依照所显示图形在上转换材料中做相应空间三维寻址扫描，既可以显示出各种三维立体图象。其像元素的大小取决于激光束焦点的线度，像元素的亮度可以通过激光功率调节。它的一个最突出的特点是人们不需要活动部件和特殊的眼镜就能看到3600可视的三维立体图象，这种显示是自体现，它具有全固化、实物化、可靠性高等优点，是目前所使用的二维显示和虚拟三维显示技术等无法比拟的。在通讯、探测等领域，上转换发光的特点也发挥了很大的作用。随着红外半导体激光二极管的迅速发展及商品化，各种波长红外激光器的应用领域十分宽广，高校、科研院所、医院、工厂等都是激光器的工作场所，由于红外激光的不可见性而带来诸多不便。上转换发光材料可以在室温下将人眼不可见的红外光转换为明亮清晰的可见光，广泛用于YAG、GaAs和InGaAsP等多种红外激光器的光路调节、光斑检测和光束校对等领域，可为从事激光工作的研究人员在调试、观察红外激光时提供极大的方便。上转换在各个领域应用的增加，体现了它的优越性。这就需要研究人员深入研究，寻找性能优良的上转换发光材料，并研究它的上转换发光机理，以适应市场及科技的需要。1.4稀土离子的上转换发光机理 上转换发光所发射的光子的能量比所吸收的光子的能量高，是因为其发射的高能电子通过吸收多个低能量光子激发而产生的，把这种过程称作上转换发光。稀土离子上转换发光是基于稀土元素4f电子间的跃迁产生的。由于外壳层电子对4f电子的屏蔽作用，使得4f电子态之间的跃迁受基质的影响很小，每种稀土离子都有其确定的能级位置，不同稀土离子的上转换发光过程不同。目前，可以把上转换过程归结为三种形式：激发态吸收、能量传输及光子雪崩。 1.4.1激发态吸收上转换激发态吸收过程（ESA，Excited State Aborption）是Bloembergen等人在1959年提出的，其原理是同一个离子从基态能级通过连续的多光子吸收到达能量较高的激发态能级的一个过程，这是上转换发光的最基本过程。如图1-1所示，首先，在泵浦光的作用下，发光中心处于基本能级E0的电子吸收一个1的光子（ground state absorption，简称GSA），跃迁到中间亚稳态E1上；然后如果能级E1和能级E2之间的能量间距与泵浦光子的能量接近，则在此能级E1上的电子又吸收一个频率为2的光子跃迁到高能级E2，这样就形成双光子吸收。如果满足能量匹配的要求，能级E2上的电子还有可能继续吸收光子向更高的激发态能级跃迁而形成三光子、四光子吸收。依次类推，当电子从这些高能级如能级E2电子向下跃迁返回基态时，就发射一个高能光子，其频率1，2。从而发射波长短于激发态波长，实现上转换发光。图1-1 激发态吸收上转换图示1.4.2能量传输上转换在基质晶格中激发和发光如果发生在同一离子上，则称此离子为激活剂或发光中心。还存在另一种离子，本身能吸收激发能，电子从基态跃迁到激发态，但是随后并不发生电子返回基态的发光，而是将部分能量传递给第二个离子，本身跃迁到较低的激发态甚至返回基态。接受能量后的第二个离子被激发到高能态，当其返回基态时即可实现上转换发光。第一个离子称为敏化剂，有时敏化剂和激活剂分别称为施主和受主。在上转换过程中能量传递在增加发射光子能量方面起着重要作用。根据能量传递（ETU，energy transfer upconversion）方式的不同分为如下几种形式。 1.连续能量传递（SET，successive energy transfer） SET一般发生在不同类型的离子之间，其原理如图2-2所示，当敏化中心（S）和激活中心（A）的激发态和基态之间的能量差相同且两者之间距离足够近时，通过两中心的电磁相互作用，两者之间就可发生共振能量传递。S离子的电子通过无辐射弛豫的方式从激发态跃迁到基态，A离子从基态跃迁到中间激发态。位于激发态能级上的A离子还可能通过第二次能量传递而跃迁至更高的激发态能级，这种能量传递方式称为连续能量传递。图1-2 连续能量传递转换过程 2.交叉弛豫（CR，cross relaxation） CR可以发生在相同或不同类型的离子之间，其中一个离子将能量传递给另外一个离子使其跃迁至更高能级，而本身则无辐射弛豫至能量更低的能级。如图2-3所示是CR过程的一种示意。图1-3 交叉弛豫转换过程3.声子辅助无辐射能量传递 当S和A的激发态与基态间的能量差不同时即存在能量失配时，两种中心间就不能发生共振能量传递，但S和A可以通过产生声子或吸收声子来协助完成能量传递，即声子辅助无辐射能量传递， 如图1-4所示。图1-4 声子辅助无辐射能量传递 4.合作上转换 （CU，cooperation upconversion） 如果两个或多个中心参与敏化和发光过程时，就会发生合作上转换过程。所谓合作上转换，就是两个或多个离子将能量传递个一个离子，而使此离子从基态跃迁到激发态的过程。每一个吸收的光子的能量都小于最后发射出的光子的能量。合作上转换过程示意如图1-5所示。图1-5合作上转换过程1.4.3“光子雪崩”过程光子雪崩过程（PA，pHoton avalanche）发生在具有特殊电子能级结构的体系中，如图1-6（a）所示，在泵浦光激发下，处于能级2的电子发生共振吸收，跃迁到能级3，此过程就是一般的激发态吸收；处于基态的电子不能发生共振吸收，但是也有少量的基态电子被激发到储存能级2上，此过程吸收频率R1R2。由于此体系的特殊能级结构，处于较高的发光能级3的一个离子与处于基态的另一个离子发生交叉弛豫作用，结果导致两个离子都处于激发态能级2上，然后再发生激发态吸收，又进入能级3。这样重复进行交叉弛豫和激发态吸收，就使得处于基态的离子数目减少，而处于储存能级2和发光能级3的电子数目不断增加，从而发生雪崩效应。光子雪崩过程时激发态吸收和能量传递过程的结合，其主要特征有：(1)泵浦波长对应于离子的某一激发态能级与其上能级的能量差而不是基态能级与其激发态能级的能量差；(2) PA 引起的上转换发光对泵浦功率有明显的依赖性，低于泵浦功率阈值时，只存在很弱的上转换发光，而高于泵浦功率阈值时，上转换发光强度明显增加，泵浦光被强烈吸收。在实际的体系中，交叉弛豫和激发态吸收都会与能级3和2（分别对应W3和W2）的本征态激发过程（包括辐射和无辐射过程）及基态的基态吸收过程竞争。图2-6（b）和（c）是雪崩效应的另两个示意图。在图2-6（b）中，高激发态与泵浦能级发生交叉弛豫后到达发光能级，然后发出1个光子，而泵浦能级则跃迁到储存能级。在图2-6（c）中，处于发光能级的离子发出了1个光子返回到较低的能级，然后与泵浦能级之间发生交叉弛豫，一起结束于储存能级处。很明显，图2-6（a）中有利于得到比泵浦波长短得多的发光，而图2-6（b）和（c）在较长波长处有高效发光。图1-6 光子雪崩过程1.5上转换发光效率 材料的发光效率通常有三种表示方法：量子效率、能量效率、流明效率。上转换发光效率()由发射的光子数与吸收的光子数之比来确定。 影响上转换发光效率的因素很多，主要有如下几点： 一、同发光中心的能级结构有关 发光中心的较高能级与相邻下一能级能量差的大小，影响着较高能级电子的发射几率。能量差较大时，无辐射几率相对小，辐射几率则大，上转换效率高；能量差较小时，无辐射几率大，辐射几率则小，上转换效率低。 二、与基质特性有关 基质的声子能量是影响上转换发光效率的重要因素，主要同稀土离子间的能量传递和多声子弛豫有关。其次基质的晶格和晶格中阳离子的电荷和直径的大小也在一定程度上影响着发光强度，表现在多声子弛豫上。 三、与环境温度有关 环境中温度的变化对上转换发光的影响主要有两方面：温度升高，发光能级向相邻下能级的多声子弛豫速率增加，发光效率降低。另外，温度发生变化时，对声子辅助能量传递几率有明显影响，随着温度升高，吸收声子的能量传递的几率增加，发射声子的能量传递几率降低。1.6本论文的目的和任务1. 采用低温燃烧法制备掺铒的氟化钇钠钡。以尿素为燃料时的最佳配比Er：Y：Ba：Na=5:10:25:60 ，1.5倍燃料为例，来摸索以柠檬酸为燃料时的燃料最佳实际用量。2. 对最佳配比药品进行后续热处理工艺，通过控制热处理时间，热处理温度，同时采用x射线衍射仪、光谱分析仪等对样品进行测试分析，制备发光性能及其颗粒度优良的氟化物上转换材料样品。第2章 实验过程2.1上转换材料的制备方法一般来说，上转换发光材料的发光是由激活离子的能级跃迁引起的，会受到外界晶场的影响或微扰作用，基质晶格的发育和完善程度将直接影响上转换材料的发光效果，因此上转换材料的发光性能不仅与化学组成有关，制备方法对材料的发光性能也有很大影响。为了获得性能优异的上转换发光材料，人们尝试了多种不同的制备方法，而且，随着交叉学科的发展和新技术的不断出现，上转换发光材料的合成面临着不可多得的机遇和挑战，各种合成方法更是层出不穷，各以其独特优点为发光材料的发展发挥着巨大的作用，研究地较多的方法主要包括高温固相法、溶胶一凝胶法、共沉淀法、水热法、微波辐射合成法和燃烧法等。2.1.1高温固相法22-24高温固相法是将高纯度的发光基质和激活剂、辅助激活剂以及助熔剂一起，经微粉化后机械混合均匀，在高温(10001600)下进行固相反应，冷却后粉碎、筛分即得到样品。高温固相法的优点是操作简便、工艺成熟，但同样其缺点也很明显，主要包括：合成温度较高、难以合成单相化合物、粒子尺寸粗大。虽然，经过研磨可以降低粒子尺寸，但研磨会导致发光亮度的大幅度降低。2.1.2 溶胶-凝胶法25溶胶-凝胶法是一种湿化学合成法， 其基本原理是：用含化学活性组分很高的化合物作为前驱体溶液，将所需原料在液相下均匀混合，使其进行水解反应和缩合化学反应，当溶液中有稳定的透明溶胶体系形成时，溶胶经陈化过程使胶粒缓慢聚合，形成具有三维空间网络结构的凝胶，这种网络凝胶间充满了无流动性的溶剂，很容易形成凝胶。将所得凝胶在适当温度下干燥、烧结固化即可。这种方法因为很难得到良好分散的纳米材料，目前已经很少用于发光粉的合成，但却是制备薄膜、玻璃材料的好方法。例如sivakumar等人26利用这种工艺制备了上转换发光薄膜，而delastilfo等人27报导采用该方法制备玻璃材料，可以显著降低反应温度。2.1.3 沉淀法28共沉淀法又称为化学沉积法。是制备纳米发光材料的一种有效而常用的方法。其中包括直接沉淀法、均相沉淀法、共沉淀法等多种方法。沉淀法是通过溶质从均匀溶液中析出沉淀来制备纳米材料的方法，同时析出多种沉淀来制备多种混合粉体的方法称为共沉淀法，尤其在制备金属氧化物、纳米材料等方面具有独特的优点与高温固相反应相比，主要优点是：操作简单、流程短、能直接得到化学成分均一的粉体材料，且可精确地控制粒子的成核与长大，得到粒度可控、分散性较好的粉体材料。共沉淀法虽然是无机粉末发光材料合成的重要方法，但它对于复杂的多组分体系的制备就可能存在一些问题。因为它对于原料的选择会造成一定的困难，同时还要求各种组分具有相同或相近的水解或沉淀条件，这样必将对所合成的多组分体系有一定的要求，从而限制了它的使用。2.1.4微波合成法29微波是指频率在0.3GHz一300GHz之间的电磁波。与可见光不同，微波是连续的和可极化的，与激光相类似。依赖于被作用物质的不同，微波可以被传播、吸收或反射。 微波合成法广泛用于制备粉体发光材料。其优点有：（1）微波加热热惯性小，可快速升温与降温，并可在不同深度同时加热，且加热均匀；（2）装置构造简单，成本低廉：（3）热转换效率高节能；（4）能在短时间、低温下合成纯度高、粒度细、分布均匀的材料；（5）加热不受样品尺寸影响，可减小过程中引起裂纹的热应力，设备本身不能辐射热能，不会造成高温工作环境。2.1.5气相反应法 近年来，气相反应法被用来制备稀土掺杂的氧化物材料。一般来说，用气相反应制备的颗粒有可控的尺寸和球状形态。德国的 A.konrad 等人用一种改进的化学气相沉积技术，即所谓的化学气相沉积技术合成了纳米 Y2O3：Eu3+，首次得到单相立方结构的纳米 Y2O3：Eu3+，颗粒的平均粒径仅为 10nm，而且颗粒凝聚作用较弱。 2.2低温燃烧法2.2.1低温燃烧法特点低温燃烧法（LCS）是相对于自蔓延高温合成而提出的一种新型材料制备技术，该方法主要是以可溶性金属盐（主要是硝酸盐）和有机燃料（如尿素、柠檬酸、氨基乙酸等）作为反应物，金属硝酸盐在反应中充当氧化剂，有机燃料在反应中充当还原剂，反应物体系在一定温度下点燃引发剧烈的氧化还原反应，一旦点燃，反应即由氧化还原反应放出的热量维持自动进行，整个燃烧过程可在数分钟内结束，溢出大量气体，其产物为质地疏松、不结块、易粉碎的超细粉体。整个工艺过程极为简单，能耗低，生产率高，且产品纯度高。同时由于燃烧过程中高的燃烧梯度及快的冷却速率，易于获得稳定物相。 可以把低温燃烧法合成粉体的特点概括为以下几个主要方面：1在较低炉温下即可点燃，一旦点燃，分解或燃烧自动进行，无需外界供给能量，整个反应过程仅需35min，具有省时、节能、实验安全性高的突出特点；2化学计量比准确，均匀度高，对多组分体系其均匀度可达分子或原子级，可以合成含多种掺杂元素的新型氧化物以及传统方法很难制备的金属陶瓷等；3金属硝酸盐一有机燃料体系在燃烧反应过程中产生大量具有还原性的气体，可以直接将一些氧化态发光离子还原。因此，对于那些需要还原态发光离子的发光粉体来说，采用低温燃烧法制备时，无需额外提供还原气氛。2.2.2低温燃烧法基本原理关于硝酸盐有机燃料的燃烧过程的研究尚不够系统深入。一般认为，与原料加热过程中发生的氧化还原化合或分解、产生可燃气体有关，其中硝酸盐（硝酸根离子）为氧化剂，而燃料为还原剂，氧化剂燃料混合物体系具有放热特性。Kingsley等人在研究以Al(NO3)39H2O和尿素(CO(NH2)2)为原料燃烧合成 Al2O3细粉时指出，CO(NH2)2加热时会分解产生缩二尿和氨，在更高的温度还生成(HNCO)3三聚物；Al(NO3)39H2O加热时发生熔化，随后失去结晶水并分解产生无定形 Al2O3和氮的氧化物；而当二者一同加热时，则形成Al(OH)(NO2)2凝胶。在燃烧合成中，上述所有反应同时进行，分解出的可燃气体发生气相反应，形成火焰。氧化剂（金属硝酸盐）与燃料的配比可根据推进剂化学中的热化学理论来确定7。目前，该计算方法得到了低温燃烧法合成领域研究人员的普遍认可和广泛采纳。该算法主要是计算原料的总还原价和总氧化价，以这两个数据作为氧化剂和燃料化学计量配比系数的依据。化学计量平衡比为整数时，燃烧反应释放的能量最大。根据推进剂化学理论，燃烧产物（按完全燃烧）一般是CO2，H2O和N2，因此元素C、H的化合价是+4价和+1价，为还原剂（通常采用尿素作为还原剂）；元素O的化合价是-2价，为氧化剂，而N是零价的中性元素。当把这一概念推广到燃烧产物为氧化物的情况时（如燃烧产物CaO，Al2O3，ZrO2等），则Ca2+，Al3+，Zr4+等就可以认为是+2，+3和+4价的还原剂。2.3实验试剂及仪器设备2.3.1实验试剂采用低温燃烧法法制备掺铒的氟化钇钠钡所使用的主要试剂如表2-1所示。其中柠檬酸作为有机燃料，硝酸盐作为氧化剂。其中，Y3+和Er3+离子的引入方式为将其氧化物直接用硝酸溶解生成的硝酸盐。表2-1制备掺铒的氟化钇钠钡所使用的主要试剂试剂分子式规格分子量氧化铒Er2O399.9%382.6氧化钇Y2O399.9%225.82氟化钡BaF2A.R.175.3氟化氢铵NH4HF2A.R.58.04稀硝酸HNO3G.R.63.08氟硅酸钠Na2SiF6A.R.188.07柠檬酸C6H8O7A.R.1822.3.2仪器设备实验主要仪器及设备如下：电子天平（精度千分之一）、磁力搅拌器、马弗炉、烧杯、玛瑙研钵、烘干箱、坩埚、量筒、滴管、药匙等。2.4制备方法2.4.1药品计量计算及配比 用柠檬酸（C6H8O7.H2O）作燃料制备BaxNayYzF（2x+y+3m+3z）：Erm，以尿素为燃料时的最佳配比Er：Y：Ba：Na=5：10：25：60 ,1.5倍燃料为例，来摸索以柠檬酸为燃料时的燃料最佳实际用量。设：欲制作0.01mol的产物，由化学方程式得柠檬酸的用量是一价阳离子的0.2778倍，是二价阳离子的0.55556倍，是三价阳离子的0.83333倍）Er2O3：0.010.050.5382.52=0.09563gY2O3：0.010.10.5225.81=0.11291gBaF2：0.010.25175.36=0.4348gNa2SiF6：0.010.60.5188.07=0.56421g 柠檬酸：0.01(0.60.2778+0.250.5556+(0.1+0.05)0.8333)210倍数 NH5F2(来补充不够的F)：0.010.5（2x+y+3m+3z-2x-y）57=0.010.5（3m+3z）57=0.010.5（30.1+30.05）57=0.12825g 以下分别做了燃料倍数为2倍、1倍、0.25倍、0.1倍。 2.4.2工艺流程Y2O3Er2O3Na2SiF6稀HNO3BaF2NH4HF22柠檬酸研磨均匀650燃烧10min得到产物2.4.3实验步骤1配制8mol/L的HNO3。用量筒量取20mL的浓硝酸烧杯中，然后再用量筒称取20mL的蒸馏水，倒入试剂瓶中，得到40mL的8mol/L硝酸溶液。2调节电子天平使其处于水平位置调平后按计算数据称取Er2O3和Y2O3的质量，然后放入到50mL的小烧杯中，然后加入相应的硝酸，用镊子夹取干净的磁力搅拌棒，放入到小烧杯中。3将小烧杯放在磁力加热搅拌器上，打开磁力加热搅拌器，在给烧杯加热过程中，烧杯中的浓硝酸会挥发，所以在加热搅拌的过程中要不时的加入硝酸。4打开马弗炉，设定温度到650。5当小烧杯里的溶液变澄清透明时，用镊子取出磁力搅拌棒，然后继续加热，待溶液变成2-3ml粘稠状时，停止加热。6将烧杯中粘稠液体倒入入研钵中，研磨5分钟左右至均匀。并将称量的Na2SiF6，C6H8O7，NH4HF2和BaF2混合，研磨15分钟左右至充分均匀。7将研磨好的药品放到150mL的坩埚中，盖上盖，放入650度的马弗炉中。8灼烧10分钟之后，将药品小心的夹出，放关掉马弗炉，用坩埚钳夹开坩埚盖，使药品降温。9待样品冷却后，观察药品的颜色，将冷却的样品装入样品袋中，记录日期与数据，贴上标签。10做一系列实验，用激光和荧光分光光度计测药品的发光亮度，制取数据图。 2.5研究后处理工艺对发光性能的影响将得到的最佳配比样品进行后处理，规定后处理温度分别为550、600、650、700、725，后处理时间分别为30min、45min、60min。 2.6对所得样品的数据处理及分析1.采用日本岛津RF1-5301PC型荧光分光光度计测试样品的上转换发射光谱，激发源为1550nm激光器；2.采用X射线粉末衍射仪对样品进行物相和结构分析，CuKa1（=0.15406nm）辐射。 3.场发射环境扫描电子显微镜(FESEM)分析：采用FEI公司的XL-30型场发射环境扫描电子显微镜对产物表面进行形貌和尺寸分析。第3章 样品检测和结果分析3.1用1550nm激光器激发下Er的上转换发光原理在所有的稀土离子中人们对Er3+离子的上转换发光11现象研究得最多，这主要是有由Er3+的下列特点所决定的：Er3+离子的能级十分丰富，并且能级分布均匀，这样的能级特点对于单光束泵浦上转换发光非常有利；Er3+离子的绿色跃迁几率最大；Er3+的绿色荧光具有较高猝灭浓度；具有较多的上转换发光泵浦途径，在1064nm、1540nm、808nm、980nm和650nm的激发下都可以观察到绿色上转换发光。图4-1给出了Er3+的上转换发光能级图。用1550nm半导体激光器激发上转换材料时，由于Er3+离子从基态到第一激发态4I13/2的吸收很大，激发态能级上会积累大量的粒子，随后的起源于第一激发态的能量传递和相继吸收都容易发生。Er3+离子的能级上粒子数集聚主要通过激发态吸收过程(GSA)12和Er3+离子对之间的能量传递过程(ETU)完成。图3-1 Er3+红外上转换发光能级图图4-2为摩尔配比为Er:Y:Ba:Na=5:10:25:60的样品在1550nm半导体激光器激发下的发射光谱。从图中可以看出有三个发光峰，峰值分别为522nm、545nm左右（绿光）、660nm左右（红光）。根据Er3+的上转换发光能级图，三个发光峰依次对应于2H11/24I15/2、4S3/24I15/2和4F9/24I15/2的跃迁。值得注意的是，理论上在1550nm红外光激发下样品的上转换发光的光谱发射带都是由一条尖峰组成，但是从图4-2中看出绿光发射带由2条尖峰（分别为541nm，552nm）组成，红光发射带由2条尖峰（分别为656nm，665nm）组成的，这是由Er3+激发态和基态的Stark分裂(晶场分裂)造成的13。图3-2掺饵的氟化钇钠钡的发射光谱3.2 上转换发射光谱分析将烧成的样品进行上转换发射光谱分析，可以发现，二倍燃料烧成后样品呈黑色，一倍燃料烧成后样品呈灰色，其余组皆为粉白色，二倍的和一倍的皆无法用光谱仪测得数据，用红外激光器观察二倍完全不亮，一倍的亮的很微弱。图3-3 分别添加0.1，0.2，0.25倍柠檬酸的发射图谱根据图4-3可以看出，在分别添加了0.1倍，0.2倍，0.25倍柠檬酸的中，添加了0.25倍柠檬酸的样品的发光效果最好。3.3用1550nm激光器激发样品的正交分析影响样品发光强度的最主要因素为Er3+的摩尔百分含量，其次为Y3+的摩尔百分含量，最次要因素为Ba2+的摩尔百分含量。根据上节实验结论，以及其他反应物用量范围，我设计如下正交表4-13-1大正交实验表对试验样品进行光谱分析（光谱图如下图一至图三所示）根据正交表及其算法，得出各反应物用量及发光强度如下：各组分用量组数Er2O3Y2O3BaF2柠檬酸Na2SiF6NH5HF2发光强度之和组10.095630.05630.43830.12680.6110.08557276.219组20.095630.11290.52590.23330.5170.1284563.108组30.095630.16890.61370.35720.4230.1711470.292组40.095630.22580.70140.49870.3290.2139625.617组50.19130.56450.52590.32660.5170.1284592.873组60.19130.11290.43830.43310.5170.17111074.65组70.19120.16890.70120.14170.3290.2137156.43组80.28690.22580.61360.28430.3290.25651114.897组90.28690.05630.61360.45930.4230.1711519.213组100.28690.11260.70120.38790.3290.2139776.993组110.28690.16890.43830.26790.4230.2567944.925组120.28690.22520.52590.17500.3290.2995324.695组130.38250.05630.70120.27700.3290.2139580.421组140.38250.11260.61360.17060.3290.2657431.302组150.38250.16890.52590.52500.3290.2992656.963组160.38250.22520.43