（毕业设计论文）《稀土氟化物上转换发光材料的制备》.doc

编号 本科生毕业论文本科生毕业论文稀土氟化物上转换发光材料的制备稀土氟化物上转换发光材料的制备Preparation of Rare Earth-Doped Fluorides on the upconversion of luminous materials学学 生生 姓姓 名名 专专 业业化学工程与工艺化学工程与工艺学学 号号 指指 导导 教教 师师 学学 院院化学与环境工程学院化学与环境工程学院摘摘 要要本文简要的概述了稀土离子掺杂氟化物的上转换发光材料的历史，以及研究现状和发展前景采用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）/第二辛醇/水（或盐溶液）的微乳液体系方法制备出了 BaF2:Yb3+,Er3+纳米上转换发光材料通过 X 射线衍射（XRD）确定了所制备样品的结构，并运用谢乐公式计算了样品的粒径，结果表明其粒径均在纳米范围之内，上转换纳米粒子的形貌为球形，粒径大约 21 nm用荧光光谱仪进行测试，发现 BaF2:Yb3+,Er3+纳米微粒在 1540nm 左右（4I13/2→4I15/2）出现了发射峰在常温下用 980nm 激光器激发样品，样品发出红光和绿光，并讨论了不同Yb3+,Er3+ 配比对上转换发光强度的影响。

关键词：上转换发光关键词：上转换发光 纳米氟化物纳米氟化物 微乳液微乳液 稀土离子稀土离子ABSTRACTThis dissertation briefly outlined the rare-earth ion doped fluoride on the history of upconversion of luminous materials, and study the status and development prospects. Use cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) /The second octanol/ water (or salt solution) microemulsion system prepared the BaF2: Yb3+, Er3+ nano-conversion luminous materials. X-ray diffraction (XRD) determined by the structure of the sample, and use the Debye-Scherrer equation to Calculate the sample size, the results showed that both in its size within the scope of nanotechnology,On the conversion of nanoparticles for spherical shape, size of about 21 nm. By fluorescence spectrometer for testing and found that BaF2: Yb3+, Er3+ nanoparticles in the 1540 nm around (4I13/2 → 4I15/2) in the emission peak. At ordinary temperature with 980 nm laser excitation samples, samples sent red and green, and discussed the impact about the different ratio Yb3+, Er3+ to the luminous intensity of upconversion.Key words: Upconversion luminescence; Fluoride nanoparticles; Microemulsions; Rare-earth ions目目 录录摘 要.II ABSTRACT.III 目 录IV 第一章 绪 论1 1.1 引言1 1.2 上转换发光材料的概念2 1.3 上转换发光材料的发展概述3 1.4 掺稀土纳米发光材料4 1.4.1 掺稀土纳米发光材料的制备方法4 1.4.2 纳米材料的结构测试方法5 1.4.3 纳米发光材料的应用6 1.4.4 纳米发光材料的发展趋势7 1.5 微乳液法制备纳米材料7 1.5.1 微乳液法制备纳米材料的特点7 1.5.2 微乳液法制备纳米材料的结构和性质7 1.5.3 微乳液法制备纳米材料的影响因素8 1.6 微乳液法制备纳米材料的机理9 1.6.1 微乳液作为纳米反应器的原理9 1.6.2 纳米材料的形成机理.10 1.6.3 影响微乳法制备纳米粒子粒径的因素.11 1.7 无机固体氟化物的特性11 1.7.1 氟化物特殊的化学及物理性质.12 第二章 上转换发光的相关理论14 2.1 稀土元素14 2.1.1 稀土元素的主要物理化学性质14 2.1.2 稀土离子的能级16 2.1.3 稀土离子的 f-f 跃迁,f-d 跃迁和电荷迁移带.17 2.2 稀土离子的光谱性质18 2.2.1 电子跃迁过程18 2.3 稀土离子的上转换发光20 2.3.1 上转换发光机理20 2.3.2 上转换发光效率23 2.3.3 上转换发光研究中存在的问题24 2.3.4 上转换发光材料的展望24 2.4 敏化发光25 2.5 研究目的、内容、所用仪器及表征手段25 2.5.1 研究目的25 2.5.2 研究内容26 2.5.3 实验所用仪器26 2.5.4 表征手段26 第三章 掺 Yb,Er 纳米氟化物的制备与上转换研究273.1 微乳液法制备 BaF2:Yb3+,Er3+27 3.1.1 化学试剂27 3.1.2 微乳液法制备 BaF2:Yb3+,Er3+纳米粒子27 3.2 BaF2:Yb3+,Er3+稀土掺杂纳米氟化物的表征.28 3.2.1 BaF2:Yb3+,Er3+纳米粒子的表征.28 第四章 结论33 致 谢34 参考文献35第一章第一章 绪绪 论论1.11.1 引言引言“纳米“是一个很小的长度计量单位，1 纳米等于十亿分之一米，纳米的尺度比原子尺寸略大（约为十几个原子排列起来那么大） ，大约相当于一根头发丝直径的百万分之一。

纳米材料（Nano-materials）的概念最初是在 80 年代初期由德国学者Gleiter 教授提出并首次获得人工制备的纳米晶体纳米材料又称超微材料，是由微小颗粒--绝大多数是晶体，其特征尺度至少在一个方向上为纳米数量级组成的固体其典型的晶体尺度为 1～100 nm起初 ，Gleiter 教授认为：当把纳米级的超微粒子压成一个三维块体后，就会形“晶界”[1]，而“晶界”缺陷处的原子必然会产生许多特异的性质，从而影响材料的性能很显然，如果将 10 nm 大小的纳米粒子压成三维的纳米结构材料后，这种材料具有高密度的“缺陷”—有相当于 30%～40%的原子处于“晶界”上，而这种原子处于一种结构尚不明了, 有别于晶体材料和非晶体材料的环境中，这种结构差异必然导致纳米结构的三维材料具有十分新颖的性能，而这种材料必将具有广阔的应用前景在这种简单的想法下 Gleiter 所领导的研究小组开始了有关纳米结构大块材料的研究，并取得了预期的效果，从而在世界范围内掀起了纳米结构材料的研究热潮美国成立了纳米研究中心，日本制定了庞大的国家规模的纳米科技研究规划，并将超微粒子技术列为材料科学的四大研究任务之一。

20 世纪 90 年代以来随着纳米技术的发展，更主要的是由于电子工业的技术革命对高密度、高容量电子材料的需求及 STM（扫描电镜）等表征手段的出现，使得纳米材料这一领域的研究得以飞速发展，形成了纳米技术与纳米材料相结合的纳米科学1990 年 7 月在美国巴尔的摩召开的第一届国际纳米科学技术会议标志着这一全新技术—纳米科技的正式诞生根据具有纳米尺度的维数，可以将纳米材料划分为：零维（原子团簇和超维粒子）、一维（纳米管、线） 、二维（纳米薄膜、多层膜）及三维块体材料（又原子团簇及超维粒子组成）[2]而广义的纳米材料则主要包括：（1）纳米晶体和纳米玻璃材料；（2）金属半导体或聚合物纳米管和纳米薄膜；（3）金属键、共价键或分子组合构成的纳米复合材料；（4）人造超晶格和量子阱结构；（5）半结晶聚合物和聚合物混合物目前世界各国对纳米材料的研究主要包括纳米材料制备中的科学技术问题、纳米结构表征与评估方法、纳米材料物理化学性质的测试方法、特别是纳米微区分析技术、纳米材料物理化学性质的特殊变化规律和产生机理、纳米材料的应用与服役过程中的老化失效问题等纳米材料是 20 世纪 80 年代末，90 年代初才发展起来的新兴科学领域。

它的讯猛发展将在 21 世纪促使几乎所有的工业领域产生一场革命性的变化，元器件的超微化、高密度集成和高空间分辨要求材料的尺寸越来越小，性能越来越高，纳米材料将充当重要的角色，是有可能在 21 世纪发挥重大作用的材料纳米材料和纳米结构的研究开辟了人们认识自然的新层次，纳米稀土发光材料[3]是指基质粒子尺寸在 1～100 纳米的发光材料纳米粒子本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等[4]受这些结构特性的影响，纳米稀土发光材料表现出许多奇特的物理和化学特性，从而影响其中掺杂的激活离子的发光和动力学性质，如光吸收、激发态寿命、能量传递和发光量子效应等纳米稀土发光材料可以广泛应用于发光、显示、光信息传递、太阳能光电转换、生物标识等领域，是 21世纪各种平板显示器的信息显示、人类医疗健康、照明光源、离子探测和记录、光电子器件及农业、军事等领域中的支撑材料 有关微乳液的研究开始于20 世纪30 年代, 当时解决了油漆或石蜡体系的分散问题, 并由此获得了美国专利[5]真正对微乳液研究作出开拓性工作的是Hoar 和Schulman , 他们的主要贡献是向由阳离子表面活性剂所稳定的乳液体系中加入一定量中等链长的醇, 使体系得到澄清。

1959 年,Schulman 等[6]提出了“微乳液”的概念1985 年,Leung [7]等对“微乳液”给出了如下的定义: 两种相对不互溶的液体的热力学稳定、各向同性、透明或半透明的分散体系, 体系中包含有由表面活性剂所形成的界面膜所稳定的其中一种或两种液体的液滴根据分散相与连续相的不同, 微乳液可分为“油包水(W /O ) ”和“水包油(O/W ) ”两种类型, 每种类型的微乳体系中都含有粒径大小在10～100nm 范围内的单分散的小液滴关于这种小液滴的结构,Mitchell [8]等认为, 微乳液液滴界面膜在性质上是一个双重膜, 他们从双亲物聚集体的分子几何排列角度出发, 建立了界面膜几何排列模型, 以填充系数这一参数解释了微乳液的结构这种纳米尺度的液滴不仅为粒子的合成提供了反应的空间, 而且所合成的粒子也被限制在这种纳米空间内, 这就是微乳体系之所以可以作为纳米反应器的原因1982 年,Bou tonnet 等[9]最先将这种微乳体系用于纳米粒子制备, 获得了P t、Pd 单质纳米颗粒由此, 在合成纳米粒子合成中开始了微乳液法的广泛研究与应用1.21.2 上转换发光材料的概念上转换发光材料的概念发光是指物体内部以某种方式吸收能量后,以热辐射以外的光辐射形式发射出多余能量的过程。

用光激发材料所产生的发光现象称为“光致发光” 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相应激发谱带的短波边，这种发光现象是反 Stokes 效应的，被称为上转换发光材料[10]1.31.3 上转换发光材料的发展概上转换发光材料的发展概述述上转换材料的发展大致可分为 3 个阶段第一个阶段是从发现上转换现象到上转换产生机制的研究，建立了 3 种最基本的上转换机制，。