LaPO4及掺钐LaPO4粉体的水热合成及结构研究

摘要

近年来，稀土发光材料由于其独特的光学特性，被广泛应用于许多照明和显示设备，并且在许多其他领域也受到广泛关注，例如场效应晶体管、太阳能电池和生物标签等。磷酸镧(LaPO4)是一种非常高效的氧化物界面材料，有着低的水溶度、高热稳定性、高折射率，经常被用作稀土离子掺杂的基质材料。因此，本文主要着重于对其合成条件的调控探索、掺杂和热处理对其结构及荧光性能影响的进一步研究和分析。
　　本论文通过水热法在不同条件下合成了LaPO4和Sm3+掺杂的LaPO4∶ Sm3+粉体，采用XRD、TEM、SEM、DCS-TG、红外、拉曼和荧光光谱等手段，对制得样品的物相组成、形貌、晶体结构及发光性能进行了表征和分析，首先研究了pH值、水热温度对LaPO4物相和形貌的影响。实验结果表明:pH值对纳米LaPO4晶体的生长影响较大，酸性条件下对LaPO4晶体的生长很有利，但当酸性过强(pH＜2)时，H+浓度过高，会影响HnPO4(3-n)-水解，导致产物结晶度降低，实验表明在pH值为2合成的产物结晶度最好，为纯净的单斜相。同时通过XRD分析发现高的水热温度也有利于LaPO4的晶体的形成，在200℃合成的LaPO4结晶度最好。之后研究了Sm3+离子掺杂对其结构和性能的影响。在200℃，pH为2的条件下水热合成不同量Sm3+掺杂的LaPO4，XRD研究表明所有样品都结晶良好，为单斜相结构，说明Sm3+的掺入未改变晶体的结构，并且晶格参数随掺杂量的增加而呈线性下降趋势，同时晶体对称性也降低。形貌分析发现Sm3+掺杂对形貌影响较小，只是纳米棒长度稍有降低，从400-500 nm逐渐变为300-400 nm。红外和拉曼光谱可以看出由于Sm-O键增多以及晶格收缩导致P-O键变短，几乎所有的峰位置都向高波数方向移动，并且在红外的V4区域和拉曼的V1区域发现了波数和掺杂量的线性关系。荧光光谱中随着Sm3+掺入量增加出现浓度淬灭，主要是由于Sm3+离子之间距离更近，发生了交叉弛豫。发射光谱表明随着Sm3+浓度增加，Sm3+在LaPO4基体中所占格位的非中心对称程度更高。
　　最后研究了不同煅烧温度对掺Sm3+的LaPO4粉体结构和性能的影响。采用水热法在pH=12，150℃条件下合成六方相LaPO4∶ Sm3+粉体，经400℃、600℃、800℃、1000℃煅烧后得到最终产物。对晶格参数分析可得，随着温度增加，晶格参数a由于结构中失去沸石水分子而减小，晶格参数c由于热力作用促进晶格发育而增加，同时晶体的对称性下降。红外光谱和拉曼光谱测试结果可以看出温度升高，晶场对称性降低导致Sm-O键和大部分P-O键键长变大。荧光光谱中发射峰发生蓝移现象是由于单斜相Sm-O键长较长，降低了4f组态与5d组态之间的能量差的原因。随着温度升高，Sm3+占据的格位中心对称程度更高。

目录

封面

声明

摘要

0 前言

1 文献综述

1．1 稀土元素简介及光谱特性

1．1．1 稀土元素的电子结构

1．1．2 稀土元素的光谱特性

1．1．3 稀土离子光谱的产生及Stark效应

1．1．4 稀土离子的发射光谱和激发光谱

1．1．5 红外光谱

1．1．6 拉曼光谱

1．2 稀土发光材料的研究进展

1．2．1 稀土发光材料的发展

1．2．2 稀土正磷酸盐

1．3 稀土磷酸盐合成方法简介

1．3．1 共沉淀法

1．3．2 溶胶-凝胶法

1．3．3 溶剂热法

1．3．4 微乳液法

1．3．5 水热法

1．4 论文研究意义和目的

1．5 主要研究内容

2 LaPO4的水热合成及表征分析

2． 1实验部分

2．1．1 主要试剂及表征仪器

2．1．2 实验步骤

2．1．3 表征方法

2．2 结果与分析

2．2．1 pH对LaPO4合成物相和形貌的影响

2．2．2 水热温度对LaPO4物相的影响

2．2．3 LaPO4晶体的透射电镜分析

2．2．4 LaPO4晶体的红外光谱分析

2．2．5 LaPO4的拉曼光谱分析

2．3 本章小结

3 不同浓度Sm3+掺杂LaPO4的制备和表征

3．1 实验部分

3．1．1 主要试剂及表征仪器

3．1．2 实验步骤

3．1．3 表征方法

3．2 结果与分析

3．2．1 Sm3+掺杂对LaPO4物相的影响

3．2．2 扫描电镜分析

3．2．3 红外光谱和拉曼光谱分析

3．2．4 荧光光谱分析

3．3 本章小结

4 不同温度煅烧LaPO4：Sm3+的影响和表征

4．1 实验部分

4．1．1 主要试剂及表征仪器

4．1．2 实验步骤

4．1．3 表征方法

4．2 结果与分析

4．2．1 DSC-TG分析

4．2．2 煅烧温度对LaPO4：Sm3+物相的影响

4．2．3 扫描电镜测试

4．2．4 红外光谱分析

4．2．5 拉曼光谱分析

4．2．6 荧光光谱分析

4．3 本章小结

5 结论

参考文献

致谢

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