共沉淀法制备Nd

共沉淀法制备共沉淀法制备 Nd YAGNd YAG 纳米粉体及其性能表征纳米粉体及其性能表征 摘摘 要要 掺钕钇铝石榴石 Nd YAG 透明陶瓷因其优异的光学性能和制备工艺方面的 优势而成为极具潜力的激光材料 合成烧结性能良好的 Nd YAG 纳米粉体为制备 其的关键因素 本文研究了共沉淀法制备 Nd YAG 透明陶瓷的前期原料粉体的 工艺 并对 Nd YAG 纳米粉体的性能进行了探讨 利用 DX 2700X 型 X 射线衍 射仪 XRD RF 5301PC 型荧光分光光度计 扫描电子显微镜等测试手段分 析了产物的结构和形貌 得到了适合制备 Nd YAG 透明激光陶瓷的原料粉体 并 确定了共沉淀法制备 Nd YAG 纳米粉体的最佳条件 关键词关键词 透明激光陶瓷 Nd YAG 纳米粉体 共沉淀法 荧光性质 目目 录录 论文总页数 16 页 1 引言 1 2 国内外对三氧化钼纳米颗粒的研究进展 2 2 1 纳米 MOO3的基本性质 2 2 2 纳米材料的特性及纳米 MOO3颗粒的研究 3 2 2 1 纳米材料的特性 3 2 2 2 纳米 MoO3颗粒的研究 3 2 3 纳米 MOO3的制备方法 4 2 3 1 热蒸发法 4 2 3 2 沉淀法 5 2 3 3 模板限制辅助生长法 5 2 3 4 其它制备方法 5 3 实验制备三氧化钼掺铝纳米颗粒 6 3 1 样品的制备 6 3 2 实验设备 6 3 3 实验样品的制备 6 4 实验结果与分析 8 4 1 形貌及晶体结构性能分析 8 4 1 1 3 组 SEM 对照分析 8 4 2 光学性能的研究 9 4 2 1 退火后 4 组样品的发光性质 9 4 2 2 通过激发光谱和发射光谱对样品光学性质的分析研究 10 4 3 退火后样品 XRD 分析 10 4 3 1 退火后 4 组样品的 XRD 图谱与分析 10 4 3 2 晶胞参数的计算与分析 12 结 论 13 参考文献 13 致 谢 15 声 明 16 1 1 引言引言 近年来 随着半导体激光器 LD 的飞速发展 全固态激光器已成为当前激 光及信息产业发展的一个热点 固体激光器的发展朝向微小型化和高功率化 新时期我国国家安全和能源所急需的惯性约束核聚变 ICF 所用的大型激光器 的功率达到 GW 量级 几个焦耳 其核心材料就是固体激光工作物质 自 20 世纪 60 年代以来 掺钕钇铝石榴石 Nd YAG 晶体就作为应用最广的材料不断 发展 由于该晶体生长特性的限制 难以得到大尺寸 高掺杂浓度 高质量晶体 经过各国科研人员多年研究 发现 YAG 多晶透明陶瓷具有和 YAG 单晶相媲美 的激光性能 而且相对于单晶 还具有如下优点 1 4 1 易于合成大尺寸 可 控形状的材料 2 断裂韧度高 达到单晶的 3 倍强度 3 能实现激活离子的 均匀高掺杂 使得 Nd YAG 激光陶瓷比单晶的具有更高的电光转换效率 于是 涉及纳米粉体的化学制备 纳米微晶的生长机制 透明纳米晶界陶瓷的制备工艺 材料的界面和表面的性能的表征及光谱和激光性质的研究等的 Nd YAG 一类 透明陶瓷激光工作物质的研究工作引起大家关注 随着陶瓷工艺和纳米技术的 发展 国内外在此方面的研究已经取得突破性进展 尤其以日本科学家在此方面 成就为著 但其制备技术处于高度保密状态 各国科研人员仍在各自探索 2 研究背景研究背景 2 YAG 陶瓷制备的研究进展与现状陶瓷制备的研究进展与现状 1995 年 日本的 Ikesue 采用固相法制备出 Nd YAG 透明陶瓷 得到了第 一台用 Nd YAG 透明陶瓷作为激光工作物质的陶瓷激光器实现了激光输出 其斜率效率为 28 输出功率为 70mW 1996 2002 年 Ikesue 等对 Nd Y AG 陶瓷性能及制备进行了进一步研 究 结果表明 采用固相反应和真空烧结工艺方法可以得到相对密度为 99 98 的高透明 YAG 陶瓷 其平均晶粒尺寸为 50nm 在可见光范围的透光率比上 述研究进一步提高 达到 80 以上 激光振荡阈值和转换效率分别为 309mw 和 28 光散射损失 硬度 光吸收及激光性能等也与单晶 YAG 相同或稍优 于单晶材料 此后几年里 Nd YAG 透明陶瓷的制备工艺被不断地改进 目前 日本已经研制出激光的斜率效率达到 49 激光输出达到 1 46KW 的 Nd YAG 陶瓷激光器 2006 年底 美国利弗莫尔国家实验室的固态激光器采用日本神岛化学公司 提供的板条状 YAG 透明陶瓷制作的热容激光器输出功率已经达到 67 kW 这 引起了军方的高度关注 国内关于 YAG 透明陶瓷的研究始于 2000 年 2003 年 东北大学孙旭东 等采用固相反应真空烧结法制备了 YAG 透明陶瓷 2004 年 采用同样的工 艺制备了 Nd YAG 透明陶瓷 2008 年 12 月在中科院理化所许祖彦院士实验 室成功获得 1064nm 的连续激光输出 但是到目前为止 国内在这方面的研究 仍处于起步阶段 还没有形成真正应用于实际需求的产品 2 1 YAG 的晶体结构与组成的晶体结构与组成 石榴石原是指一系列自然产出的硅酸盐矿物 石榴石的化学成分可以表示 为 A3B2 Si04 3 钇铝石榴石 YAG 的化学式为 Y3A15O12 它是属于立方晶系 具有石榴石结构 空间群为 Oh 10 一 Ia3d 晶格常数为 12 005 埃 每个晶胞中含有 八个 Y3A15O12 分子 总共有 24 个钇离子 40 个铝离子和 96 个氧离子 每个 钇离子各处于由 8 个氧离子配位的十二面体的 L 格位 16 个铝离子均处于由 6 个氧离子配位的八面体的 B 格位 24 个铝离子各处于由 4 个氧离子配位的四面 体的 A 格位 八面体的铝离子形成的是体心立方结构 四面体的铝离子和十面体 的钇离子处在立方体的面等分线上 八面体及四面体都是变形的 钇铝石榴石中 Y O 键的长度是 2 45 埃 三价钇离子与稀土离子的半径接近 使十二面体格位中 掺杂一定数目的三价稀土离子作为激活离子 这是石榴石系列的一个突出特点 即 晶体结构中可以有较大范围的阳离子取代 其结构 5 如图 1 1 2 22 2 YAGYAG 的性质与用途的性质与用途 YAG 的结构是由互相连接着的八面体和四面体所组成的 具有特定的结构 所以具有非常优良的物理 化学和机械特性 6 YAG 从低温到高温熔点 其结构 都很稳定 其强度和硬度也很高 表 1 2 列出了 YAG 的基本物理化学性质 7 表表 1 21 2 YAGYAG 的物理化学性质的物理化学性质 YAG 的一个突出特点是在晶体结构中实现较大范围的阳离取代 由于三价 钇离子的半径和稀土离子的半径比较接近 通过三价稀土离子取代 YAG 中的三 价钇离子 从而可以在钇铝石榴石中掺杂一定数量的激活离子 使其具有特殊的光 学性能 如 La 系的稀土元素三价离子因离子半径与三价钇非常相近 就可以取代 Y3 形成 Nd Yb Th Er YAG 而三价铝离子的半径小 不容易被稀土离子取代实 现掺杂 所以掺 Nd YAG 是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体物质 YAG 单晶具有优异的光学性质和机械性能 使其可以制作高温紫外和红外窗口 如果掺入激活离子后还可以产生荧光和激光 并且不同激活离子可以发出不同波 长的激光 因此 Nd YAG 激光器成为最常用的固体激光光源 其在室温下可以实 现连续和脉冲等多种方式的运转 8 2 32 3 Nd YAGNd YAG 的性质的性质 Nd YAG 激光器是目前最常用的一类固体激光器 其参量特别有利于激光的 产生 这主要是因为 YAG 基质硬度较高 光学质量好 热导率高 此外 YAG 的 立方结构也有利于产生窄的荧光谱线 从而产生高增益 低闲值的激光作用 在 Nd YAG 中 Nd3 替代了 Y3 因此不需要补偿电荷 1 物理性质 Nd YAG 除了非常优越的光谱和激光特性外 其基质材料的晶格引起非常有 吸定 还没有它在固相中相变的报道 YAG 的强度虽低于红宝石 但仍然很高 足以 保障在正常的生产过程中不会出现严重的断裂问题 纯的 YAG 是无色 光学各向同性的晶体 它是立方结构 在 Nd YAG 中大 约有 lat 的 Y3 被 Nd3 取代 两种稀土离子的半径差大约为 3 因此当大量 Nd3 加入后 晶体就会出现应变 这表明超过了 Nd3 的溶解度 或者掺入 Nd3 后 严重破坏了 YAG 的晶格 2 激光性质 Nd YAG 激光器为四能级系统 波长为 10641 埃的激光跃迁始自 4F3 2 能级 的 R2 分量 终止于 4Fll 能级的 Y3 分量 在室温下 只有 40 粒子数在 R2 线上 根据玻尔兹曼定律 余下的 60 在较低的 R1 子能级 激光作用仅仅由 R2 产生 而 R2 能级的粒子数能通过热跃迁由 Rl 补给 Nd YAG 的基能级为 4F9 2 能级 还 有很多相对较窄的能级 可以认为它们共同构成泵浦能级 在主要的泵浦中 0 81 微米带和 0 75 微米带最强 终端能级比基能级高出 2llkm 1 因此其粒子数密度是 基能级的 exp E KT exp 10 倍 由于终端能级没有热粒子数 因而很容易 达到闭值条件 3 3 粉体制备技术粉体制备技术 目前制备 YAG 纳米粉体的主要方法包括 固相反应法 燃烧法 化学沉淀 法 溶胶一凝胶法 水 有机溶剂热法等 3 13 1 固相反应法固相反应法 固相反应法是发光材料的一种传统的合成方法 具有工艺简单 成本低 效 率高的优点 其基本过程如下 首先把固体原料相互混合 然后进行长时间加热 使 反应在高温下通过接触截面发生离子的至扩散和互扩散 或者使原有的化学键发 生断裂 这种变化向固体原料内部或深度扩散 最终导致一种新物质的生成 反应 物颗粒越细 其比表面积越大 反应物颗粒之间的接触面积就越大 有利于固相反 应的进行 传统的合成 YAG 的固相法是以高纯 Y2O3 Al2O3 等为原料 按 YAG 的化 学计量比配料混合磨细 经锻烧后再次研磨到一定的粒度 9 所以 固相反应是一 个比较复杂的多相扩散反应 反应过程中要经历 Y 中间相 最终才能生成纯 YAG 相 因此 需要较高的焙烧温度 导致晶粒的粗化且分布范围宽 特别是高温合成 的粉体易于形成硬团聚 而且配料需要长时间的研磨 易于引入杂质 最终影响了 粉体的可烧结性能 研究 10 11 表明如果采用纳米级且无团聚的粉体为原料 可在一定程度上降低 烧结温度 闻雷 12 等采用高纯 Y2O3 和 Al2O3 微米级超细粉体作为原料 1700 度真空烧结 5h 得到了高透光的 YAG 多晶陶瓷 3 23 2 燃烧法燃烧法 燃烧法利用有机燃料和金属盐溶液之间的放热反应 其释放出大量的热能可 使反应体系很快升温到 1600 度以上 由于升温迅速不同于传统的固相反应 可能 不经过中间相 而直接生成 YAG 相 此方法即节能又省时 更重要的是反应物在 合成过程中处于高度均匀分散状态 反应时原子只需短程扩散即可进入晶格位点 加之反应速度快 前驱物的形成和氧化物的分解温度又很低 因此使得产物粒度小 粒 径分布均匀影响反应的因素包括燃料的类型 燃料与金属盐的摩尔比以及燃烧的 温度等 燃烧过程中发生的化学反应包括 溶液的燃烧和溶液的分解 该方法虽然具有生产过程简便 反应迅速 产品纯度高 发光亮度不易受 破坏 节省能源 节约成本的优点 但反应中存在反应过程剧烈而难以控制 不 易工业大规模生产等缺点 13 3 33 3 化学沉淀法化学沉淀法 化学沉淀法是工业大规模生产中用的最多的一种 由于其成本低 工艺易于控 制 一直受到广泛的欢迎 化学沉淀法有很多种 其原理相同 包含一种或多种离 子的可溶性盐溶液 当加入沉淀剂后 或在一定温度下使溶液发生水解 形成不溶 性的氢氧化物 水合物或盐类 从溶液中析出 并将溶剂和溶液中原有的阴离子洗 去 经热分解和脱水即可得到所需的氧化物粉料 沉淀法又分为以下几种 1 共沉淀法 含多种阳离子的溶液加入沉淀剂后 所有离子完全沉淀的方法称共沉淀法 对于制备 YAG 纳米粉体来说 共沉淀法是在混合溶液中加入合适的沉淀剂 使得 Y 和 Al 离子完全沉淀的方法 14 15 通常分为正滴和反滴 2 种方式 正滴是指 沉淀剂滴入母盐溶液中 反滴是母盐溶液滴入沉淀剂溶液中 vrolijk 等的研究表 明 Al 离子开始滴定时溶液 PH 值为 3 5 而 Y 离子开始沉淀时 PH 值需大于 7 所以在正滴过程中随着沉淀剂的加入 Al 离子先在溶液中形成沉淀 当 PH 值升高 到一定的数值时 Y 离子才开始沉淀 显然 此方法中 Y Al 离子的沉淀是分步进 行的 得到化学组成不均匀的前驱物 差的化学组成均一性必然导致中间相的形成 以及较高的锻烧温度 在反滴法中 由于沉淀剂 PH 值已超过两种离子开始沉淀 时的 PH 值 并且沉淀剂大大过量 Y Al 离子滴入瞬间 局部过饱和度相当大 有 利于大量晶核的产生 化学组成均一性大大的改善 共沉淀法操作简单易行 对设备 技术要求不高 不易引入杂质 产品纯度高 有良好地化学计量性 成本较低 该方法的缺点是洗除原溶液中的阴离子较难 并 且由于组分之间沉淀产生的浓度及沉淀速度存在差异 不能实现微观组的均匀性 得到的粒子粒径分布宽 分散性较差 2 均相沉淀 一般的沉淀过程是不平衡的 但如果控制沉淀剂浓度 并缓慢加入 使溶液中的 沉淀处于平衡状态 且沉淀在整个溶液中均匀出现 这种方法称之均相沉淀 均相 共沉淀法是利用尿素的水解反应 使构晶离子缓慢 均匀产生的方法 从而克服了 直接添加沉淀剂产生局部浓度不均匀的缺点 使得沉淀物颗粒均匀而致密 通过 控制尿素的水解速率 可使过饱和度控制在一定范围内 从而控制粒子的生长速率 获 得团聚小 分散性好的纳米粒子 Matsushital 以尿素为沉淀剂 利用均相沉淀法 水浴加热相当长的时间 在 1200 度合成了物相单一的 YAG 纳米粉体 其研究表 明尿素浓度与混合金属离子浓度的摩尔比直接影响了尿素的水解速率 进而影响 了形成 YAG 离子的粒度 高的尿素浓度与混合金属离子浓度比 150 1 可获得 分散性好 粒径分布窄 呈球形的 YAG 粉体 在均匀沉淀过程中 构晶离子的过饱和度在整个溶液中比较均匀 所得沉淀物 的颗粒均匀而致密 便于洗涤过滤 制得的产品粒度小 分布窄 团聚少 但是阴 离子的洗涤较繁杂 合成时间长 耗能大 效率低 不适宜工业上的生产 3 43 4 溶胶一凝胶法溶胶一凝胶法 溶胶一凝胶法是制备纳米粒子的一种湿化学方法 基本原理是 以易于水解 的金属结合物 无机盐或金属醇盐 为原料 使之在某种溶剂中与水发生反应 经水 解与缩聚过程逐渐凝胶化 再经锻烧和干燥到所需氧化物纳米粉末 其中控制无 机盐或金属醇盐的水解缩聚条件是制备高质量溶解的关键 Michacl Veith 和 Sanjay Mathu 利用 Y Al 的金属醇盐作为前驱体在 700 度 800 度的较低温度下 获得 YAG 纳米粉体 Kyoung 等采用溶胶一凝胶法制备了 A12O3 溶胶 加入高 纯 Y2O3 粉体至该体系中 在 40 度时热处理形成 YAG 溶胶 并用氨水滴定此溶 胶 锻烧前驱物 于 1100 度得到结晶完全的 YAG 相 溶胶一凝胶法有如下优点 l 反应条件温和 成分容易控制 2 工艺 设备简单 3 产品纯度高 合成过程中无需机械混合 不易引进杂质 均匀 在溶胶一凝胶 过程中 溶胶由溶液制得 化合物在分子级水平混合 故胶粒内及胶粒间化学成分 完全一致 颗粒细 胶粒尺寸小 该法可容纳不溶性组分或不沉淀组分 不溶性颗 粒均匀地分散在含不产生沉淀地组分的溶液 经凝胶化 不溶性组分可自然地固定 在凝胶体系中 不溶性组分颗粒越细 体系化学的均匀性越好 掺杂分布均匀 可溶 性微量掺杂组分分布均匀 不会分离 偏析 此醇盐水解法优越 粉末活性高 缺点 原材料价格昂贵 凝胶颗粒之间烧结性差 产物干燥时收缩大 3 53 5 水水 有机溶剂热法有机溶剂热法 水热法制备超细微粉的技术始于 1982 年 近年来 将一些新技术如微波技术 超临界技术引入水热法 合成了一系列纳米化学物 使其成为重要的合成技术之一 水热过程是指窄高温 高压下 在水溶液或蒸汽等流体中进行有关化学反应合成 化合物 再经分离和热处理得到纳米微粒 水热条件下粒子反应和水解反应可以 得到加速和促进 一些在常温常压下反应速度很慢的热力学反应在水热条件下可 以实现快速反应 由于水热法需要较高的合成温度和压力 给合成工艺带来了困难 于是 采用 有机溶剂代替水做溶剂的方法相继产生 Massashi Inoue 等采用此法在 300 度合 成了粒径微 30nm 的 YAG 微粒 考虑有机溶剂使生产成本升高 并且污染环境 张 旭东 16 等以纯 Al NO3 3 和 Y NO3 3 为原料 滴加碱性溶液 形成沉淀物 将沉淀 物分散于乙醇中 在反应釜中加热至 280 度 直接合成了平均尺寸为 80nm 的 YAG 晶粒 颗粒无团聚且呈球形 此过程无中间相产生 水 有机溶剂热法的优点在于可直接生成氧化物 避免了一般液相合成方法 需要经过锻烧转化成氧化物这一步骤 从而极大地降低乃至避免了硬团聚的 产生 此法即可制备单组分微小晶体 又可制备多组分的特殊化合物粉末 由于 克服了某些高温制备不可克服的晶形转变 分解 挥发等 其粉末可达纳米级 具有纯度高 分散性好 分布窄 无团聚等优点 其缺点是此方法合成粉体的 产量低 4 4 Nd YAGNd YAG 前驱粉体的制备前驱粉体的制备 配方 设计 称取 原料 充分 溶解 滴定 搅拌 抽 滤 样品 测试 XRD 测试 荧光 测试 SEM 测试 光谱 测试 烘 干 退 火 4 14 1 共沉淀法制备共沉淀法制备 Nd YAGNd YAG 前驱粉体前驱粉体 要制备透明陶瓷首先需要有性能优异 Nd YAG 粉体 所以 Nd YAG 纳米粉 体研究成为当前研究的热点 目前国内外制备 Nd YAG 粉体的方法主要有固相 图 4 1 实验流程图 法和湿化学法两大类 固相法合成粉体所需要的锻烧温度高 而且锻烧产物中 除了主相 YAG 外还残留少量中间相 YAM Y4Al209 和 YAP YAl03 湿化学 法包括 水 醇 热法 溶胶 凝胶法 前驱体燃烧技术 沉淀法等 这些方法 各有其优缺点 而共沉淀法是最早用来制备 Nd YAG 纳米粉体的湿化学方法 本小组设计利用共沉淀烧结的方法制备掺钕钇铝石榴石粉体 沉淀法是目前应用最广泛的粉体制备方法之一 沉淀法的原理是在包含一 种或多种离子的可溶性盐溶液中加入沉淀剂 在一定温度下发生水解 形成不 溶性的氢氧化物 水合氧化物或盐类从溶液中析出 然后将溶剂和溶液中原有 的阴离子洗去 经热分解或脱水即可得到所需的氧化物纳米粉体 沉淀法又可分为共沉淀法 均相沉淀法和金属醇盐水解法 其中共沉淀法 和金属醇盐水解法最为常用 共沉淀法就是在含多种阴离子的溶液中加入沉淀剂后 所有离子完全沉淀 的方法 这种方法应用广泛 实用 且研究很多 4 24 2 实验过程实验过程 4 2 14 2 1 实验主要原料实验主要原料 4 2 24 2 2 主要实验仪器主要实验仪器 1 称量设备 电子天平 2 干燥设备 DHG 9248A 型鼓风干燥箱 3 热处理设备 KTL1600 型管式炉 4 样品检测设备 DX 2700X 型 X 射线衍射仪 XRD RF 5301PC 型荧 光分光光度计 扫描电子显微镜 5 混合设备 滴定管 抽滤瓶 磁力子搅拌器等 4 2 34 2 3 具体实验过程具体实验过程 首先将 Y2O3 和 Nd2O3 配制成不同浓度的硝酸盐 然后将铝盐 钇盐 钕 盐按石榴石 Nd3xY3 1 x A l5O12 x 为 Nd3 的掺杂浓度 这里取 x 为 0 01 0 03 的组成配比混合溶液 混合液 Al3 浓度为 0 2 mol L 再将混合液以一定速 率滴入碳酸氢氨水溶液中 浓度为 2 mol L 边滴入边搅拌 滴完后继续搅拌 成熟 2h 将成熟好的沉淀液进行抽滤 再连续三次去离子水洗 两次无水乙醇 洗涤 最后再抽滤得到白色沉淀 将得到的沉淀物放入 80 的烘箱中烘干 最 后将干燥好的沉淀物在空气中进行高温煅烧 烧结温度分别为 900 1000 1100 1200 并保温 2 h 预制备 20g 掺杂钕钇铝石榴石 Nd YAG 粉体 实验的主要原为 AI N03 3 9H2O Y2O3 Nd2O3 HNO3及 NH4HCO3等 以 2at 的钱离子取代钇离子 根据化学方程式 3xNd N03 3 3 3x Y N03 3 5Al N03 3 Nd3xY3 3xA15O12 x 为 2 故此时的分子式为 Nd0 06Y2 94Al5O12 其分子量可表示为 M 144 2 0 06 2 94 88 91 26 98 5 16 12 8 652 261 395 134 9 192 596 9 47 根据所欲制备粉体的质量求得所需各种原料的质量 氧化钇 Y2O3 分子量 225 82 ml 20 596 947 2 94 2 88 91 2 16 3 99 995 11 122g 约 0 mol 氧化钕 Nd2O3 分子量 336 4 m2 20 596 947 0 06 2 144 2 2 16 3 99 999 0 338g 约 0 001mol 硝酸铝 Al N03 3 9H2O 分子量 375 13 m3 20 596 947 5 375 13 62 842g 约 0 1674mol 1 按化学式比例称取一定量的 Y2O3 和 Nd2O3 用适量的浓 HNO3 加热溶 解 Y203 和 Nd2O3 配制成一定浓度的硝酸盐溶液 然后将 Al NO3 9H2O 溶于去离子水中 得到一定浓度的硝酸铝溶液 并配制浓度为 2mo1 L 的 NH4HC03 溶液作为沉淀剂备用 2 量取一定体积的铝盐和忆盐的硝酸盐溶液 将这两种溶液按掺钕钇铝石 榴石 Nd3xY3 1 x Al5O12 x 0 02 的化学配比配制成浓度为 0 2mo1 L 的 Al3 混合溶液 3 滴定 在 30 反应温度下 采用反滴的方式 将硝酸盐的混合溶液以 4ml min 的滴定速度滴加到浓度为 2mo1 L 的 NH4HC03 溶液中 滴定的同时用 磁力搅拌器不断的搅拌 搅拌速度为 200r min 滴定过程中用 pH 试纸一记录 pH 值 选择 pH 值为 8 0 左右进行实验研究 4 滴定结束后继续搅拌 2h 让其充分反应 反应结束后即抽滤 将白色沉 淀物用去离子水洗涤三次 除去反应剩余的 NH4 及 NO3 离子以及残留在溶液 中的反应副产物 然后用无水乙醇洗涤两次 以防止在烘干过程中产生团聚 将洗涤后的浆料在抽滤机中进行抽滤 得到白色滤饼 5 干燥 锻烧 洗涤得到的沉淀物放入真空干燥箱中 80 干燥 12h 得到了 疏松的前驱体 将干燥后的前驱体放入箱式电阻炉中 分别 900 1000 1100 1200 的温度下锻烧 2h 得到前驱粉体样品 6 对样品进行表征 5 实验结果与分析实验结果与分析 5 1 光学性能的研究光学性能的研究 5 1 1 4 组不同退火温度对照分析组不同退火温度对照分析 图 5 1 为 Nd3 与 Al3 摩尔浓度比为 0 2 时 不同退火温度 8000C 10000C b 12000C 和 14000C 下的发射光谱图 图 5 1 样品在四组不同温度下退火后的发射光谱 5 1 2 通过激发光谱和发射光谱对样品光学性质的分析研究通过激发光谱和发射光谱对样品光学性质的分析研究 查阅文献资料可知 Nd YAG 的最佳荧光波长在近红外范围 但由于受实 验条件的制约 本小组实验样品所用荧光分光光度计所测的发射光谱最大仅能 够达到 900nm 故不一定能找出本小组实验所制得的 2at Nd YAG 样品的最佳 荧光波长 但由该实验范围内测得的图 5 1 可知 Nd YAG 纳米颗粒的最佳荧 光波长在 360nm 处 随着退火温度的升高 Nd YAG 纳米颗粒的荧光强度略微增 加 这可能是因为随着退火温度的升高纳米 Nd YAG 颗粒的尺寸略微减小而变 均匀 而纳米纳米级的颗粒发光强度颗粒发光强度会随着纳米尺寸的增加而增 强 随着纳米尺寸的减小而减弱 还有可能是因为不同退火温度细微的改变了 Nd YAG 纳米颗粒的的激发能 从而使改变了荧光强度 5 2 退火后样品退火后样品 XRD 分析分析 采用 DX 2700 型 X 射线衍射仪 XRD 分析 4 组掺 Nd YAG 样品的晶体 结构 测试条件 35kV 25mA CuK 辐射 扫描速度 0 03 s 测量衍射角范围 为 10 80 测试完成后用 Jade 9 0 软件进行分析 并用 Origin 8 0 作图 5 2 1 4 组不同温度退火样品的组不同温度退火样品的 XRD 图谱与分析图谱与分析 图 4 2 为 Nd3 与 Al3 摩尔浓度比为 0 2 时 不同退火温度 8000C 10000C b 12000C 和 14000C 下的 XRD 图谱 图 5 2 样品在四组不同退火温度下的 XRD 图谱 由不同退火温度下的 XRD 图谱分析可知 前驱体经 8000C 煅烧退火后为 不定形相 随着温度升高到 10000C 样品开始由不定形相转变为 YAG 相 温 度进一步升高 YAG 相没有变化 只是强度进一步增大 可见本小组采用共沉淀 法制备的前驱体经 10000C 煅烧后 可得纯 YAG 相 而无其他如 YAlO3 Y4Al2O9 等过渡相 由此可知该方法的所制样品的 YAG 相转换温度范 围为 8000C 10000C 且随着温度升高 YAG 相越纯 当样品经 14000C 煅烧 退火后 其 YAG 相的置信度高达 0 6 6 结束语结束语 本文介绍了利用共沉淀法制备 Nd YAG 纳米颗粒的过程 并将不同的退火 温度作为研究条件 并对制备的 2at Nd YAG 纳米颗粒进行了 X 射线衍射 XRD 测试和荧光分光度计测试 测试结果表明 以氨水作为沉淀剂 控制 反应溶液的浓度和添加一定量的分散剂 采用共沉淀的方法可制得 YAG 的复 合盐前驱体 这种复合盐易分解 分解后的氧化物具有很高的活性 可在较低温 度下形成纯相的 YAG 粉体 而避免了中间相的形成 煅烧温度对合成过程及 合成后粉体的相组成及 YAG Nd 粉体的光学性质有较大的影响 此外荧光测试 表明 在 200nm 900nm 的波长范围内不同退火温度下的 2at Nd YAG 纳米颗 粒样品都无明显的荧光峰出现 参考文献参考文献 1 LU J PRUBHU M XU J et a l Highly efficient 2 Nd Yttrium aluminum gar net laser J Appl Phys Lett 2000 77 23 3707 3709 2 WITH G D E DI JK H J A V Translucent Y3Al5O12 ceramics J Mater Res Bull 1984 19 1969 1674 3 MULDER C A WITH G D E Transluent YAG ceramics electronic microsc