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        Rb2TiYb(PO4)3微晶材料的制備與上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能研究

        2021-11-05 10:48:36丁吉民
        現(xiàn)代鹽化工 2021年5期

        丁吉民

        (山東大學(xué) 晶體材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 晶體材料研究所,山東 濟(jì)南 250100)

        新型無機(jī)上轉(zhuǎn)換材料在生物醫(yī)學(xué)診斷治療、光通信、高密度光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、3D顯示等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力,吸引了眾多學(xué)者的研究興趣[1]。具有無水鉀鎂礬結(jié)構(gòu)的磷酸鹽化合物為立方晶系,P213空間群,通常具有高化學(xué)性能、高抗輻射性能、高熱穩(wěn)定性、低熱膨脹性能和離子導(dǎo)電性等優(yōu)異性能,在非線性光學(xué)、多色發(fā)光、上轉(zhuǎn)換發(fā)光等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。該類化合物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是金屬八面體與非金屬四面體通過共享頂點(diǎn)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),堿金屬離子填充在結(jié)構(gòu)空隙中,獨(dú)特的框架結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)離子取代、能量轉(zhuǎn)移和可調(diào)顏色。本實(shí)驗(yàn)采用高溫固相法進(jìn)行無水鉀鎂礬型Rb2TiYb(PO4)3微晶制備探索,得出了適宜的制備條件,并進(jìn)行了微晶物相、形貌和上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能的研究,揭示了此類結(jié)構(gòu)材料是一種良好的新型上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 試劑

        實(shí)驗(yàn)中所用試劑均為分析純,分別為TiO2、Rb2CO3、NH4H2PO4、Yb2O3,生產(chǎn)商均為國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

        1.2 制備步驟

        采用高溫固相法制備過程如下:將4種原料按化學(xué)計(jì)量比稱取,在瑪瑙研缽中進(jìn)行研磨,通過專用模具壓成圓片,放入剛玉坩堝中,置于電阻爐中進(jìn)行焙燒。首先在200 ℃下焙烘12 h,其次分別在800、900、1 000 ℃下焙燒24 h,最后自然冷卻至室溫。在每個(gè)溫度下焙燒完成后,均重新研磨壓片。過程遵循以下化學(xué)反應(yīng)方程式:2Rb2CO3+2TiO2+Yb2O3+ 6NH4H2PO4→2Rb2TiYb(PO4)3+ 6NH3↑+2CO2↑+9H2O↑。

        1.3 材料測試與表征

        本實(shí)驗(yàn)樣品采用布魯克AXS D8 advanced X射線粉末衍射儀表征物相,微晶形貌通過日立S-4800型掃描電子顯微鏡觀察,紫外-可見漫反射光譜由日立UH-4150分光光度計(jì)獲得,上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜由愛丁堡FLS980瞬態(tài)-穩(wěn)態(tài)熒光光譜儀獲得。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 材料物相分析

        采用X射線粉末衍射儀對Rb2TiYb(PO4)3微晶樣品進(jìn)行了物相分析,結(jié)果表明,樣品屬于無水鉀鎂礬相,衍射峰尖銳,與計(jì)算所得標(biāo)準(zhǔn)XRD物相一致[3],說明純度高、結(jié)晶性好。由此可以證明,本實(shí)驗(yàn)所采用的逐步升溫、多次焙燒的方式是適宜的(見圖1)。

        圖1 Rb2TiYb(PO4)3微晶的XRD

        2.2 微觀形貌分析

        通過觀察不同倍率下的SEM圖2(a)和(b),可以得出樣品顆粒尺寸在微米級(jí)別,為10~20 μm,無規(guī)則片狀形貌,元素映射圖2(c)~(h)表明,Rb、Ti、Yb、P和O 5種組成元素均勻分布于樣品顆粒中。

        圖2 焙燒溫度為1 000 ℃時(shí)Rb2TiYb(PO4)3微晶的SEM圖

        2.3 紫外-可見漫反射光譜分析

        圖3是Rb2TiYb(PO4)3微晶的紫外-可見漫反射光譜。在224、293 nm處有兩個(gè)非常明顯的吸收峰,其紫外截止邊在377 nm處。在室溫下,這種新型無水鉀鎂礬結(jié)構(gòu)化合物在200~450 nm內(nèi)表現(xiàn)出顯著的吸收率,表明這種新型無水鉀鎂礬結(jié)構(gòu)磷酸鹽適合作為宿主材料。在500~1 100 nm波長內(nèi),只有910、972 nm處有兩個(gè)特征吸收峰,后者躍遷強(qiáng)度相對更高,這兩個(gè)吸收峰分別對應(yīng)Yb3+電子從基態(tài)2F7/2(0)躍遷到激發(fā)態(tài)2F5/2(2’)和2F5/2(0’)。Rb2TiYb(PO4)3帶隙值可通過繪制(Ahv)2-hv曲線來計(jì)算,本實(shí)驗(yàn)得到其帶隙值為3.52 eⅤ。

        圖3 Rb2TiYb(PO4)3微晶的紫外-可見漫反射光譜

        2.4 上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能研究

        圖4展示了在980 nm激光激發(fā)下Rb2TiYb(PO4)3微晶的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜??梢杂^察到,分別在480和654 nm處有明顯可見的紅光和藍(lán)光雙波段上轉(zhuǎn)換發(fā)光現(xiàn)象,藍(lán)色發(fā)射峰強(qiáng)度明顯高于紅色發(fā)射峰。藍(lán)色發(fā)射峰符合合作上轉(zhuǎn)換發(fā)光特征,是由Yb3+的協(xié)同效應(yīng)所產(chǎn)生,而紅色發(fā)射峰的形成過程更加復(fù)雜,與晶體內(nèi)部缺陷帶有關(guān)。

        圖4 Rb2TiYb(PO4)3微晶的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜

        光物理過程:材料在980 nm激光激發(fā)下,Yb3+吸收光子從基態(tài)2F7/2躍遷到激發(fā)態(tài)2F5/2,這一過程中會(huì)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)電子。大量Yb3+對中的激發(fā)態(tài)電子恢復(fù)到基態(tài),會(huì)發(fā)射出達(dá)到躍遷能量總和的光子,同時(shí)產(chǎn)生較高強(qiáng)度的藍(lán)色合作上轉(zhuǎn)換發(fā)光,而紅色發(fā)射峰產(chǎn)生過程與晶體內(nèi)部缺陷帶有關(guān)。研究表明,晶體中的氧空位、扭曲八面體和缺陷帶都可以作為光生電子的捕獲中心,即少部分激發(fā)態(tài)電子,在導(dǎo)帶中被Ti4+激活并被缺陷帶捕獲,而后返回價(jià)帶,此過程會(huì)產(chǎn)生紅光。

        3 結(jié)語

        采用逐步升溫、多次焙燒的高溫固相法成功制備了Rb2TiYb(PO4)3微晶。樣品呈無規(guī)則片狀形貌,晶粒尺寸為10~20 μm,在紫外-可見漫反射光譜中出現(xiàn)了位于910、 972 nm的兩個(gè)Yb3+吸收峰,分別源于Yb3+由基態(tài)2F7/2(0)躍遷到激發(fā)態(tài)2F5/2(2’)和2F5/2(0’)。上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜顯示,此類材料具有藍(lán)紅雙波段發(fā)光現(xiàn)象,解釋了藍(lán)色與紅色發(fā)射機(jī)制的內(nèi)在差異。結(jié)果表明,具有無水鉀鎂礬結(jié)構(gòu)的Rb2TiYb(PO4)3在上轉(zhuǎn)換發(fā)光領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力和較高的研究價(jià)值。

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