稀土掺杂铝酸盐发光材料的制备方法与发光机理研究①

杨晓红

摘   要：关于发光领域的相关研究近年有所增加，在此领域研究中，所用到的主要材料是稀土离子掺杂铝酸盐发光材料，相较于其他基质材料来说，铝酸盐的优势是比较突出的。本文选择七种铝酸盐发光材料，对其制备方法进行研究，并对其发光机理进行了探讨。针对稀土掺杂铝酸盐发光材料，分析了其具体的发光机理，最后分析了该材料的应用趋势和前景，希望为相关研究提供参考。

关键词：稀土  铝酸盐  发光材料  发光机理

中图分类号：TQ171                                 文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）09（a）-0053-02

此次的研究以稀土掺杂铝酸盐发光材料为主题，对其制备方法进行分析的同时对其发光机理进行研究，希望为相关研究提供参考。

1  稀土掺杂铝酸盐发光材料的制备方法

1.1 高温固相法

在稀土铝酸盐发光材料的制备中，高温固相法是经常利用的一种方式，作为传统的生产方式，其操作比较简便，并且生产出来的产品十分亮，发光度强并且能持续很久。具体的方式是：把既定的化学计量比的原料进行混合，放入到坩埚中，保持原料的均匀，并放在具有还原气氛的高温炉中，对原料进行煅烧，在退火到室温之后，将其取出，并且研磨和洗涤。这种方法在铝酸盐发光材料制备中，是比较常见的一种方式。但对材料的发光性能并不友好，会对其产生一定的影响。

1.2 共沉淀法

共沉淀法在稀土掺杂铝酸盐发光材料的制备中属于化学方法，这一方法要先将原料溶于水中，添加适量的沉淀剂促进化合物的沉淀，进而对沉淀物过滤、洗涤进行锻烧，煅烧之后能够得到理想的产物。这个方法生成的产物也十分简单，容易操作，并且均匀性好，但反应条件的控制能够对产物的外形产生影响，且沉淀剂的应用在一定程度上对产物也有着影响，两者的共同作用下导致产物的大小与形态各不相同。草酸与碳酸氢铵是在铝酸盐发光材料的制备中常见的沉淀剂种类，在对沉淀剂的操作过程中，可以对溶液酸碱性、温度、剂量等方面进行控制，以此对沉淀的反应时间进行合理、科学的控制，基于此保障產物的有效合成。

1.3 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法同样是铝酸盐发光材料的制备方法，相较于其他的制备方法此种制备方法的制备过程较于简单，并且得到的产品纯度很高，但是在制备中，常常需要很大的成本。溶胶-凝胶法的制备是依赖于金属醇盐的水解与聚合反应，以此得到溶胶，在得到溶胶之后进一步进行溶胶浓缩处理使其成为凝胶，对凝胶进行煅烧得到制备材料。在这种制备方法下，能够对产物造成印象的主要是溶液pH值，和这个过程的反应时间以及反应温度。

1.4 水热合成法

水热合成法是在近几年间开始使用的一种材料制备方法，其中对高压釜的利用是水热合成的原理，高压釜能够生成高温高压的环境，高温高压环境能够促进产物间反应使其产生化学无机材料，在此基础上对化学无机材料产物进行过滤、清洗后进行煅烧。此种制备方式也存在着其自身的优点，在反应过程中，产物对温度的要求很低，产物自身的形态也相对均匀，其缺点为此种制备方式所用的机械设备较为复杂，且产物的发光强度比较低，通常需要比较长的时间。

1.5 燃烧法

燃烧法主要是利用金属硝酸盐，加入燃烧剂，例如尿素和甘氨酸，进行混合加热，从而得出的产物。在这个燃烧的过程中，会生成很多的热量，并且释放出很多气体，这些生成的气体可以阻碍氧化物团聚，但是可能对环境造成污染，因此，在利用该方式进行制备的过程中，必须要在过程中做好废气的收集，并进行处理。因为高压反应釜的体积限制，这种方式常常被应用在小批量生产的过程中。同时，利用该方式进行制备，产量较小并且成本较高。

1.6 硝酸盐热分解法

硝酸盐热分解法是利用硝酸对稀土氧化物进行的溶解，在溶解之后加入其它原料，加热溶解直至得到目标产物。硝酸盐热分解法从操作上来讲，制备过程需要的温度不高，且产物具有较好的发光性能。有学者利用此种制备方法在1300℃的高温中对BaMgAl10O17∶Eu2+单相发光材料进行制备，制备出了硝酸盐热分解法合成样品。利用这个方法制备出的发光材料，要比使用高温固相法得出的发光强度强。

2  稀土掺杂铝酸盐发光材料的发光机理分析

2.1 空穴转移模型

空穴转移模型的应用过程可分为若干次。首先，基体吸收太阳光或紫外光，实现能量转移，并在发光中心转移到Eu2+离子上。然后从基态Eu2+4f7（8S）吸收光子，过渡到激发态4f65d1。在4f轨道中，会产生一个空穴，电子需要跃迁才能使基态和空穴有效地结合，并能够发光。价带电子从环境中重新获得能量，填补了4f的空穴，使Eu2+逐渐变成Eu3+。在价带中，缺陷层捕获价带中的空穴运动，在这种情况下，Re3+变为Re4+。随着时间的推移，被Re3+捕获的空穴获得能量并返回到价带，价带中的空穴最终获得电子发光。

2.2 能量传递模型

能量传递模型包含了3中能量传递方式（见图1）。分析明星图可知，M代表基质晶格，A、S表示稀土离子，其中A为Eu2+，S为Dy3+。稀土离子在4f轨道中电子发生迁移，过程当中，当离子从高能级跃到低能级时，会产生辐射度不同且频率和波长不同的光。其能量传递的方式可以概括为三种：（1）无辐射弛豫：通过热能的方式，使激发能向附近的晶格进行传递。（2）“发光”主要是能力释放的过程。（3）敏化发光：掺杂离子S将激发能转移到离子上，离子被A发射并释放。此外，在激发能方面，由于发光本身的特性，可分为垂直中心发光和复合发光。

2.3 位移坐标模型

位移坐标模型直观的体现了电子的活动过程（见图2），位移坐标模型中A和B都是基态和激发态的Eu2+，AB之间的缺陷能級指C，电子得到激发后，过渡从基态到激发态（1），许多回到低能级的电子发射光（2），一些电子存储在C（3）中，C属于缺陷能级，缺陷能级的电子在吸收到能量后能够继续回到能级B。

3  存在问题及展望

（1）现阶段对铝酸盐发光材料的研究，存在着一定的制约性，现下的材料研究主要是对材料自身性能的分析，对其中的激发光谱与发射光谱进行论证，并对其释热和晶体结构等等进行的分析。但是，仍然很少有研究是关于其材料内部结构和发光性能联系的，这就使得其研究和应用存在着很大的不确定性，推测性强，导致其缺乏说服力。

（2）在具体的研究开展过程当中，受研究材料与研究方法等因素的影响，尚没有完整的理论数据进行引导，只能依靠在实践中的经验进行，通过对基质结构的变化促进荧光体量子的转化提高。

（3）在发光材料的制备中，产物所形成的发光颜色较为单一，需要针对其他的色系长余辉材料进行全面的研究，尤其是红色系列的材料。

（4）受稀土离子价态的影响，实际应用中很难达到理想的发光粉体的效果和状态。

（5）外场诱导结构能够使稀土离子的玻璃获得新的光功能，且新的光功能对未来电子的使用有着重要的促进作用，因此外场诱导结构的研究是当下的研究重点。

4  国内的研究现状和应用

玻璃是长余辉发光材料的主要使用基质，玻璃材料具有常见性，其晶体材料有着特殊的性质，因此，我国行业中在近年来对其开展不同的研究，且研究从未中断，研究成功率也日益增加。通过实验结果可以看出，在温度升高的条件下，发光玻璃的发光性能会发生一定的变化，受温度的影响随着温度的升高，发光玻璃的发光强度与余晖时间下降。在不断的实验当中，温度对发光性能的影响逐渐被解决。

5  结语

综上所述，关于稀土掺杂铝酸盐发光材料方面的研究，开展时间是比较早的，但是，在当前的研究中，针对铝酸盐发光材料的研究，关于其发光机理的模型研究仍然不完善。对发光体的存在有着诸多解释，在发光材料的制备当中，杂质对长余辉发光材料的影响也要在不断的科研中进行研究。

参考文献

[1] 计娉婷.铝酸盐发光材料的控制合成与耐水性包覆研究[D].合肥工业大学，2012.

[2] 宋洁，徐晓，张娜，等.水热法合成Sr4Al14O25∶Eu2+，Dy3+长余辉发光材料及性能研究[J].中国稀土学报，2011，29（1）：15-18.