材料工程类论文论荧光粉的制备与发光特性

1、 材料工程类论文：论荧光粉的制备与发光特性 摘要：利用水解法得到SiO2溶胶，并在其中掺入Mn2+，Zn2+离子，加热烘干制得Zn2SiO4 :Mn胶体，将其在100C高温下煅烧2h，得到含Mn2+的Zn2SiO4 :Mn颗粒。研磨成粉，并用X射线进行物象分析。然后测定试样的激发光谱和发射光谱。结果表明Mn2+掺杂的Zn2SiO4 可绿色荧光。最后对这种物质的发光机理进行分析。关键词： 胶体 硅酸锌 荧光发射 硅铍石晶体人类进入21世纪，对各种功能材料，特别是新型发光材料的研发与应用的水平不断深入。研究表明，用掺杂等手段使各种材料性能不断改进，甚至赋予新的特性。如H.X,Zhang等人将Eu2

2、+和Tb3+ 离子掺杂在Zn2SiO4中观察到绿色和红色荧光1。Zn2SiO4 :Mn荧光粉作为一种十分重要的发光材料，早在19世纪80年代就被人们所认识和利用。硅酸矿石能在紫外线（365nm）照射下发出可光，所以当时人们通过这种方法，能过更容易找到矿床。Zn2SiO4 是一种很好的发光材料基质，呈白色粉末状，易于操作合成；Mn2+掺杂Zn2SiO4 是一种高效绿色磷光材料，被广泛应用于等离子体显示板，阴极射线管和荧光灯上。本文采用溶胶凝胶法。参与反应的各组分基本上在分子级混合，且各离子分布均匀，所以较之传统的固相反应法，大大缩短了反应时间（如sol-gel在800度下就得到Zn2SiO4晶相

3、5），而且设备简单，易于操作。1 实验1.1 Zn2SiO4 :Mn的制备：（以下操作分两组同时进行）将正硅酸乙酯（C2H5O）4Si）25ml，乙醇（CH3COOH）25ml ，蒸馏水15ml并加入少量盐酸（约2ml）催化，搅拌30 min水解后得到SiO2溶胶（并用PH试纸调节）；取碳酸锌（ZnCO32HO2）48.4G和氯化锰（MnCl24H2O）4.3g作原料（注意；氯化锰只添加到其中的一组，另一组不用添加），然后加水溶解并逐滴加入30%的氨水助溶；将Mn2+，Zn2+（摩尔比约为1：100）的溶液加入到SIO2溶胶中，同时迅速开启磁力棒搅拌1020min后在恒温箱中110环境下蒸干，

4、制得Zn2SiO4 :Mn和不含Mn2+的Zn2SiO4胶状固体样品。2 结果和讨论2.1 物相分析图1是Zn2SiO4 :Mn的X射线衍射分析结果，与纯Zn2SiO4 的X射线衍射分析结果对比，表明掺杂Mn2+的Zn2SiO4 :Mn与不掺杂的X射线衍射图相同，结构相同，与标准卡对比相等，得到的化合物是单一相，其原因是Mn2+的掺杂很少，Mn2+取代了Zn2+形成固体溶胶6，由于Mn2+与Zn2+离径相近（rMn=0.80A，rZn =0.74A）。所以观测到的两种物质为单一的，相是相同的。 2.2 激发光谱与发射光谱。 图2是Zn2SiO4 的激发光谱。图3是Zn2SiO4 :Mn的激发光

5、谱。由图2可看出未掺Mn2+ 情况下，Zn2SiO4 的激发光谱主要有320nm , 304nm , 370 nm , 380nm几个吸收峰,其中吸收峰位于=320 nm 处的峰值吸收最强由图可看出掺杂Mn2+情况下Zn2SiO4 :Mn的激发谱中显示了个主要的吸收峰分别是=294nm和=422nm,所以由于Mn2+ 的引人使得基质材料的能带结构发生了变化,而激发谱与材料的能带结构有关。从而掺杂的Zn2SiO4 :Mn与不掺Mn2+ 的Zn2SiO4 激发光谱完全不同图是未掺Mn2+纯的Zn2SiO4 试样发光谱(=320nm) 在纯的Zn2SiO4 的发光峰=516nm,=625nm,=73

6、2nm等处但由于发光强度不够,使得发光现象不够明显。图5是掺杂Mn2+ 的Zn2SiO4 :Mn试样发射光谱(=294nm)时,然而采用=422nm,=356nm激发波长,所得谱线发光峰位置并不改变,只是荧光强度改变,通过观察在谱线中有较强的=528nm发光峰,同时观察到绿色荧光。2.3 发光机理 Zn2SiO4 具有硅铍石晶体结构2，该结构中所有金属离子均处于四配位环境中。因此，Mn2+ （3d5）也应占据四配位环境的格位。在3d5 电子组态内的所以光跃迁不可能获得较高的光输出。然而在半掺杂实验中Mn2+ 的激发通过与Zn2+ 的能量转换来实现的。即Mn2+ 置换了晶格中的Zn2+ 形成连续

7、固溶体6，使晶格结构发生了改变，同时Zn2+ 与Mn2+ 能量得到交换。所以Zn2SiO4 基质中Mn2+ 的发射在250nm左右的区域内表现出一个较强的激发带，这很可能是电荷迁移跃迁时的Mn2+ 的4T6A4发射会产生很大的光输出。 同时应当指出，不同工艺条件下制备的基质材料发光性质不一样，如水热法制备Zn2SiO4 :Mn前驱体观察到绿的荧光3本实验采用溶胶凝胶法，Mn2+ 掺杂的Zn2SiO4 材料的发光过程可认为是Zn2SiO4 基质吸收光子，电子受激由电子价带被激发到导带后又被缺陷捕获，缺陷与Mn2+ 的激发产生复合而释放电子形成荧光。由于在不同波长照射下，受工艺条件及基质材料等因素

8、影响下，缺陷与激发态复合不同，致使Mn2+ 掺杂的Zn2SiO4 中观察到蓝光和绿色荧光，例如Mn2+ 掺杂的Zn2SiO4 中有6A14T22的dd跃迁产生，使其形成荧光。3 结论： 采用溶胶凝胶法制备Mn2+ 掺杂的Zn2SiO4 发光材料，由于制备过程中无须机械磨合，不易引进杂质所以纯度高，又由于溶胶由溶液制得，化合物在分子水平混合，故胶粒内化学成分完全一致，掺杂均匀，颗粒细（胶粒尺寸小于0.1m）；所以体系化学均匀性较好。而且合成温度低，粉末活性高；工艺设备简单，易于操作等优点，作为发光材料的实际生产与应用有很好的指导作用。参考文献：2Sun Jiayue,Du Haiyan and

9、Hu Wenxiang ,固体发光材料，化学工业出版社 3Lu S W,Cvpeland T,Lee B I,et al.Synthesis and Luminescent properties of Mn2+ doped Zn2SiO4 phosphors by a hydrothemal method. Jphys Chem solids,2001,page 62 4Yang Ping ,Song Chunfeng.Lu Mengkai,et al.Defects andphotoluminescenceof Ni2+ and Mn2+ doped solgel SO2 glass.J Solid State Chem,2001,page160 5Lin J,Usanger D.Menning M,et al .Sol_gel synthesis and characterizationof Zn2SiO4 :Mn phosphor films ,Mater Sci and Eng,199