稀土钒酸盐发光材料的制备及性能研究

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稀土发光材料是最重要的稀土功能材料之一,为科技进步和社会发展发挥着日益重要的作用。其中,以稀土钒酸盐为基质的发光材料具有高能量转换效率、高热导率,高热稳定性和较高的真空紫外吸收截面,已广泛应用于照明装置和显示设备。然而,在固态激光器、裸眼3D显示、荧光生物标记等方面的新兴应用对以钒酸盐基质为主的稀土发光材料提出更高的性能要求。因此,研究通过不同方式提高稀土钒酸盐发光材料的荧光强度具有重要意义。本文以铕掺杂钒酸盐(GdVO4:Eu3+和YVO4:Eu3+)纳米发光材料为研究对象,分别采用三种不同方法对其发光性能进行改性,再利用X射线衍射分析(XRD),扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM),紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)和光致发光光谱(PL)对所制备样品的微观组织和荧光性能进行分析。主要研究内容如下:(1)首先,采用碱金属离子共掺杂的方法对GdVO4:Eu3+纳米发光材料进行改性。利用水热法制备GdVO4:Eu3+,R+(Li+,Na+,K+)发光材料,研究不同浓度R+共掺杂对GdVO4:Eu3+,R+发光材料的晶体结构、微观组织和发光强度的影响。结果表明:随着共掺杂浓度的提升,R+掺杂方式由替换掺杂变为间隙掺杂,引发晶格结构的连续畸变,在共掺杂10mol%Li+、8mol%Na+、6mol%K+时获得最佳发射强度。进而研究共掺杂10mol%Li+、8mol%Na+、6mol%K+对发光中心Eu3+的浓度猝灭阈值的影响,发现通过共掺杂Li+可以有效缓解浓度猝灭效应,提高荧光性能。(2)其次,在碱金属离子共掺杂的基础上,考察热处理对GdVO4:Eu3+纳米发光材料荧光性能的影响。将GdVO4:Eu3+,R+(Li+,Na+,K4)纳米发光材料在N2气氛保护下900℃保温2h,结果表明:热处理后样品的结晶度提高,晶粒尺寸增大,发射强度显著增加。进而研究基体结晶度、共掺杂晶格缺陷对发光强度的影响机制及对Eu3+浓度猝灭阈值的影响,发现热处理后样品的晶格缺陷减少,8mol%Na+、6mol%K+共掺杂时Eu3+的浓度猝灭阈值从5mol%提高至9mol%。(3)最后,将YVO4:Eu3+纳米发光材料与金纳米颗粒混杂,利用金纳米颗粒的表面限域等离子共振效应以增强YVO4:Eu3+纳米发光材料的荧光性能。研究金纳米颗粒粒径对混杂发光材料荧光性能的影响规律,测试结果表明:金纳米颗粒混杂并未改变YVO4:Eu3+发光材料的Eu3+的红色特征发射光谱,而金颗粒混杂样品的发光强度随着金颗粒尺寸的增加而增强,这是由于金颗粒尺寸增加,局域入射场增强,导致荧光强度增加。
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