掺杂Sm3+的氧化铈制备发光材料

王大忠，侯 磊，何财源，王鑫东，唐小芩，蔡丽娟

（西昌学院理学院 四川 西昌 615000）

1 引言

稀土发光材料由于实际生活各不相同的需要，对材料的各方面的物理化学性能也提出了各种各样的要求，然而材料的性能与制作方法息息相关[1]。因此研究具有一定的选择性和定向性，通过用环境友好、经济、节能的方法对稀土发光材料的合成有重要的研究意义[2]。本文用熔盐法制备SrCeO3：Sm3+的发光颗粒。

2 实验药品与设备

药剂：硝酸铈、氧化钐、硝酸、硝酸钾、草酸、柠檬酸、聚乙二醇、氨水、盐酸。实验设备：分析天平、数显恒温水浴锅、电热恒温鼓风干燥箱、低真空烧结炉、紫光灯。

3 原料与方法

稀土发光材料的制备合成方法会很大程度上影响到光学性质[3]。随着新的发光材料的涌现，其合成方法也与时俱进[4]。常见稀土发光材料的合成方法有以下几种[5]：溶胶-凝胶法、高温固相反应法、熔盐法、燃烧法和微波合成法等[6]。本文采用熔盐法合成发光材料的实验流程见图1。

图1 熔盐法合成的流程图

熔盐法的基本原理及工艺流程：熔盐法是先把盐同反应物按一定的比例混合均匀，高温加热熔化，在盐的熔体中进行反应[7]，冷却后去除融熔盐即可得所需的产物[8]。

SrCeO3：Sm3+粉体的制备：按化学计量比，精确称取氧化钐和硝酸铈，将其分别溶于硝酸溶液和蒸馏水中并搅拌，待其充分溶解后再将两种硝酸盐溶液充分混合，溶液呈现透明无色。上述溶液在搅拌下缓慢将草酸溶液滴加到溶液中，滴加完后，在温度80 ℃的水浴锅中进行陈化反应，得到乳白色的沉淀物，之后过滤洗涤，在130 ℃烘箱中干燥8 h得到白色粉末；按照n(Ce):n(K)=l:3在粉末中加入硝酸钾，在研钵中充分磨混合后，在800 ℃焙烧3 h，将所得产物用去离子水进行多次洗涤、过滤、干燥，得粉红色CeO2:Sm3+系列发光粉末。反应过程如下：

4 实验结果及讨论

4.1 前驱体粉末的热分析和热分解温度的确定

前驱体粉末热分析条件，升温速率10 ℃/min，温度区间0～1200 ℃，所得TG-DTA曲线见图2。

图2 前驱体粉末的TG-DTA曲线

由图2可知，第1阶段发生在40～256 ℃之间，这是前驱体粉末释放吸附水以及脱结晶水的过程，恰对应240 ℃左右处的吸热峰。第2阶段柠檬酸盐分解，其分解峰在256～350 ℃，有318 ℃的放热峰，这一过程是前驱体粉末中的有机成分柠檬酸燃烧所致。第3阶段发生在350～1000 ℃之间，在945 ℃有一个小的放热峰，这是硝酸盐发生分解生成 SrCO3和CeO2，SrCO3和CeO2之间发生相变反应生成SrCeO3的过程。温度大于1000 ℃时，热重曲线趋于平缓。为保证前驱体粉末能完全分解生成所需产物，选择煅烧温度为1000 ℃，燃烧时间4 h。

4.2 热处理温度对SrCeO3：Sm3+粉体发光强度的影响

其他条件恒定，将前驱体粉末在温度800、850、900、950、1000和1050 ℃煅烧4 h，得到不同煅烧温度下的样品的发光强度见图3。

图3 不同温度SrCeO3：Sm3+的发射强度

不同煅烧温度所得样品的发光强度不同，这是由于样品晶相不同所造成的[9]，Sm3+在各晶相中所处的位置不同，继而造成了发光强度在一定程度上的差异。当热处理温度升高，样品的发光强度在一定程度上也不断增高。原因在于热处理温度较低时得到的Sm3+结晶不完全，之后随着温度继续升高，生成的粉粒径增大，结晶越来越完整，则发光强度不断提高。由发光强度确定热处理温度为1000 ℃。

4.3 热处理时间对SrCeO3：Sm3+粉体发光强度的影响

在其他实验条件不变的情况下，恒定热处理温度为1 000 ℃，分别煅烧1～5 h，所得样品的发光强度见图4。由图可见样品的发光强度与热处理的时间呈正相关。这是因为随着热处理时间增加，生成的SrCeO3：Sm3+越多，晶型也逐渐完整。由SrCeO3：Sm3+的发光强度，确定SrCeO3：Sm3+产品煅烧时间为4 h。

图4 不同热处理时间SrCeO3：Sm3+的发射图谱强度

4.4 Sm3+掺杂量对SrCeO3：Sm3+粉体发光强度的影响

在SrCeO3：Sm3+中，Sm3+的掺杂量对样品的发光强度的影响是非常大的。测定不同摩尔浓度的Sm3+所制得的样品的发光强度，通过数据分析，得出不同掺杂浓度的样品的发光强度点线图，见图5。

图5 Sm3+不同掺杂浓度的样品的发光强度

由图3～4可知，纯相SrCeCO3不发光，当Sm3+的掺杂浓度较低时，激活的Sm3+较少，并且Sm3+之间距离远，从而降低了发光离子的能量传递效率，故发光强度增加不多[10]。随着增加Sm3+摩尔掺杂浓度，激活的Sm3+数量也逐渐增加，这提高了其吸收和传递的能量，从而使发光强度得到大大的提高；当Sm3+摩尔掺杂量为3 mol%时，发光强度最高。

5 结论

本文采用熔盐法，以硝酸铈为原料，以硝酸钾为熔盐，成功制备了SrCeO3：Sm3+粉末的橙红色荧光粉。通过研究离子掺杂浓度、煅烧时间及煅烧温度对稀土发光性质的影响，得出如下结论：SrCeO3：Sm3+粉末的橙红色荧光粉，粒径大小约为180 nm。合成SrCeO3：Sm3+的发光合成产品煅烧温度为1000 ℃，煅烧时间4 h。当Sm3+的掺杂浓度为3 mol%时，红色发光粉CeO2：Sm3+发光强度达到最强。