用乙醚处理共沉淀法合成YAG:Ce荧光粉

王佳诺

【摘要】采用共沉淀法合成了掺铈的钇铝石榴石（YAG：Ce）荧光粉，加入乙醚作为均匀分布的分散剂。 以NH4HCO3为沉淀剂，（NH4）2SO4为电稳定剂，制备了YAG：Ce前驱体，并与乙醚混合。 随后，在900℃煅烧过处理的YAG：Ce前驱体，得到荧光粉的最终产物。

【关键词】YAG;共沉淀法;乙醚

1、引言

在照明器件和光学显示领域，发光二极管（LED）的应用越来越受到人们的关注，它是一种新型的绿色光源，必将成为未来的发展趋势。在白色发光二极管中，掺铈钇铝石榴石材料（YAG：Ce）由于其化学和物理性质稳定而得到广泛应用。

近些年来合成YAG：Ce荧光粉用乙醇作为流变溶剂。这种方法是在YAG：Ce前驱体加入乙醇，混合至流变相，在弱还原气氛中燃烧，得到目标荧光粉。但所得荧光粉的发光强度稍有提高，共沉淀流变法的发光机理尚未研究。YAG：Ce荧光粉也报道了用甘油或醋酸处理的荧光粉，但在发光强度或功率分布等方面存在不足。

乙醚是一种常用的溶剂，其化学性质稳定，溶解性好，沸点比乙醇低。本文在YAG：Ce前驱体中加入了乙醚，研究了乙醚在前驱体合成中的作用机理，同时对荧光粉的相组成、形貌和发光强度进行了评价。

2、实验

前驱体为Y（NO3）3·6H2O、Ce（NO3）3·6H2O和Al（NO3）3·9H2O、NH4HCO3、（NH4）2SO4、CH3OCH3、BaF2。反应物Y（NO3）3·6H2O、Al（NO3）3·9H2O和Ce（NO3）3·5H2O的摩尔比为3：5：0.06。采用浓度为1.2mol/L的碳酸氢铵水溶液作为沉淀剂。将混合盐溶液缓慢加入沉淀剂溶液中，以5ml/min的速度轻轻搅拌，加入反应物后，将所得溶液陈化30min，然后用抽滤器过滤。用蒸馏水洗涤沉淀除去杂质，然后用乙醇洗涤，以防止干燥过程中严重结块。沉淀在60℃干燥36h，研磨后得到前驱体。

前驱体经乙醚处理，在500～600℃弱还原气氛中煅烧2～5h，再加入BaF3研磨均匀，再在900℃弱还原气氛下煅烧3h，在80℃下干燥24h，于是获得了YAG：Ce荧光粉。

3、结果和讨论

3.1 TG-DSC分析

通过TG-DSC分析研究了前驱体的热行为。

TG曲线表明总失重约为37%。在300℃以下的失重是由物理吸附的水和乙醇脱水引起的，在300-600℃之間，前驱体粉末中的碳酸盐分解会导致失重。

DSC曲线由吸热峰和放热峰组成。507.1℃的吸热峰是由碳酸盐的分解引起的，在932.1℃时的放热峰可归因于晶化和晶体生长。

当温度高于1000℃时，TG和DSC曲线没有变化，表明前驱体粉体完全转变为YAG立方晶相。由于DSC曲线中的放热峰在结晶后往往滞后，因此根据TGA结果确定前驱体的煅烧温度在900℃左右。

3.2 FT-IR分析

研究了在900℃加热的样品的红外光谱。3470cm-1的宽峰可能是由包括水和铝/钇羟基的O-H键的拉伸振动引起的。1638cm-1处较弱的吸收带来自于O-H键的弯曲振动。它也是由空气中的水吸收引起的。在约1522cm-1处的峰值可归因于NH4+在键拉伸模式下。1416cm-1处的吸收带可能是由合成粉末中的二氧化碳吸收引起的。另一个峰值1127cm-1归因于SO42-的振动。因此，可以确定前驱体是碳酸盐和硝酸盐的Y3+和Al3+化合物。当温度为900℃时，其红外光谱YAG：Ce样品由于AlO6八面体的伸缩振动，在740cm-1处出现了清晰的峰值，并且在471cm-1处出现了与AlO4四面体拉伸相关的吸收峰，而在588和534cm-1处的峰值代表了Y-O金属氧振动的特征。这些结果表明YAG：Ce指纹与前面讨论的热分析一致。

3.3 XRD分析

X射线衍射图分析了YAG：Ce样品在900℃下煅烧用乙醚处理和用乙醇处理。样品的两个衍射图谱表明，所有峰均对应于YAG相（ICSD#20090）的立方石榴石结构，没有发现其他晶体，如YAM（单斜）或YAP（钙钛矿）。在掺杂Ce3+离子的样品中，晶体YAG相的形成没有明显的差异，说明在相同的价态和半径下，Y3+离子的某些位置可以被Ce3+离子取代。

YAG：Ce的形成率是主要受Y3+和Al3+的扩散控制，提高Y3+和Al3+的扩散速度可以提高YAG相的生成速率。在Al（NO3）3和Y（NO3）3的混合溶液中，Y3+和Al3+在原子水平上混合。因此，在沉淀过程中，Y3+和Al3+加入前驱体沉淀体系时始终保持原子级混合。加入乙醚或乙醇后，这种混合可以更均匀。在较高的煅烧温度下，Y3+与Al3+之间的距离大大缩短。在传统的固相反应中，要获得纯YAG相，需要较高的烧成温度（高于1600℃）或延长烧成时间。然而，本文所讨论的化学过程在原子水平上实现了反应物阳离子的紧密混合，从而导致反应速率的增加和合成温度的降低。

4、结论

采用共沉淀法制备了化学成分均匀的YAG：Ce前驱体粉末。900℃煅烧冷却后，YAG：Ce荧光粉得到了近球形的形貌，分布良好。与用乙醇处理YAG：Ce荧光粉相比，用乙醚处理制备的YAG：Ce荧光粉发光材料分布更均匀，尺寸更小，发光强度提高20%。同时，分析了乙醚作为溶剂的反应机理。由于前驱体粒子溶解在乙醚中，乙醚中的空间位阻效应以及乙醚中存在两对自由电子，使混合物均匀，粘度降低，从而有效地减少了荧光粉颗粒的团聚。因此，YAG：Ce荧光粉形态好，分布广。合成法YAG：Ce与有机溶剂处理是YAG荧光粉产品的一项潜在技术。