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SiO2基核壳结构的稀土发光材料的研究进展

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由于核壳结构的稀土发光材料的结构和成分

可以通过可控的方式改变袁因此核壳纳米材料用于

各种领域遥优化结构和改变掺杂离子是获得优异发

光性能的两种主要策略遥由于表面缺陷最少袁球形

结构被认为是最理想的荧光粉结构遥越来越多的研

究人员致力于制备具有优异发光性能的稀土掺杂

荧光粉袁以探索其在多路生物检测和多色光学器件

中的潜在应用遥研究认为袁理想的荧光粉具备完美

的球形形态尧良好的分散性和窄的尺寸分布渊<2滋m冤

等特点遥这主要是因为球形颗粒的下表面缺陷可以

显著减少散射光袁这有利于提高发光性能遥因此袁人

们投入了大量的工作来制备这种均匀的球形荧光

粉[1]遥

镧系中转化发光纳米粒子(UCNP)是一种优良

的发光材料袁它具有良好的光学尧化学性质袁因此在

光学生物成像尧生物传感器和疗法方面有着广泛的

应用前景遥独特的功能使它们克服了与传统成像相

关的各种问题如光稳定性尧无毒性袁并提供多功能

性袁以创造具有成像和治疗模式的纳米平台[2]遥

SiO2因其高度的化学稳定性和物理化学性能

而被用作涂层材料遥SiO2还有一些优点袁包括良好

的化学惰性尧高热稳定性和可控孔隙率遥这种特殊

的性质可以使SiO2很轻易且均匀定量地掺入一些

微量元素袁可以在分子水平上均匀掺杂遥如果将核

壳纳米材料涂覆在硅核上袁则发光材料可能会大大减少遥此外袁随着添加这些SiO2核壳材料荧光粉的

光致发光强度显著增强遥SiO2壳可以增强材料的稳

定性保护核心材料不被溶解或水解袁而Si-OH基

团键可以使SiO2易于溶解与生物大分子结合袁提

高其生物相容性遥所以袁核壳纳米材料在生物领域

非常适用[3]遥

在采用SiO2用作芯材料时袁Si-OH基团和SiO2表面的氢键具有非常强的亲和力遥这种作用使制造SiO2时易于与多种材料黏合遥硅壳沉积在核壳微球

周围可以改善聚合物的物理和化学性质[4]遥到目前

为止袁已经研究了许多方法来制备SiO2核壳发光

材料遥1稀土发光材料制备方法的优缺点SiO2基核壳材料的稀土发光材料的制备方法

有很多[5-7]遥如固相法尧燃烧法尧湿化学法等遥其中传

统的湿化学法包括溶剂热法袁共沉淀法和溶胶凝胶

法遥在制备的过程中每种制备方法都有自己的优缺

点遥比如固相法的优点是操作过程简单袁制备的材

料结晶程度较高袁杂质含量少袁因而发光强度高遥但

固相法制备的材料颗粒均匀性较差袁形貌不规则袁

煅烧后出现较粗大产品晶粒时需要研磨再筛分遥燃

烧法的优点是反应时间短袁操作步骤简单袁制备的

产物纯度高袁粒度小且均匀性好袁品相单一袁经研磨

后发光强度下降不明显遥缺点是燃烧过程中有氨气

逸出袁会对环境造成污染遥所以制备过程中用得最SiO2基核壳结构的稀土发光材料的研究进展

刘艳红袁胡瀛寰袁张波袁吴宇袁韩熠袁刘雷

渊赤峰学院化学与生命科学学院袁内蒙古赤峰024000冤

摘要院SiO2基核-壳结构的稀土发光材料因其具有优异的性能而受到关注遥研究表明SiO2基核壳结

构的稀土发光材料具有强发光效率尧强光稳定性尧无毒性尧寿命长尧价格低廉等特点遥这些特性使它们在光

学设备尧等离子显示器尧荧光灯尧生物医学领域成像尧指纹和防伪标签等方面得到广泛的应用遥本文重点阐

述了SiO2基核壳结构的稀土发光材料的制备方法袁包括固相法尧湿化学法尧燃烧法等遥从核壳结构的稀土

发光材料的制备方法入手探究目前的研究进展袁其中溶胶凝胶法研究最多遥最后对SiO2基核壳结构的稀

土材料进行了总结与展望遥

关键词院SiO2基核壳结构曰稀土发光材料曰研究进展中图分类号院TQ422文献标识码院A文章编号院1673-260X渊2024冤02-0014-06

收稿日期院2023-10-20Vol.40No.2Feb.2024赤峰学院学报渊自然科学版冤JournalofChifengUniversity(NaturalScienceEdition)第40卷第2期2024年2月

14--多的是湿化学法遥溶剂热法制备的材料具有晶粒发

育完整袁结晶度好袁稀土离子掺杂均匀袁无须煅烧和

研磨袁制备过程能耗低等优点遥缺点是该方法属于

高压合成袁对反应设备的要求比较高且反应不易控

制遥共沉淀法制备的材料的优点在于可以使原料细

化和均匀混合袁且具有制备工艺简单袁煅烧温度低袁

产品性能好的特点遥但是沉淀剂的加入可能会使局

部浓度过高袁产生团聚或产品组成不均匀的问题遥

在实际合成中用得最多的是溶胶凝胶法袁他的优点

是反应温度一般为室温袁反应物的组分容易控制袁

采用该法制备的样品均匀度高袁产物纯度较高遥缺

点是该方法在溶液中进行水解反应袁因此pH的调

节对产物的制备非常重要遥2稀土发光材料的研究进展

国内外的学者都在尝试制备核壳结构的稀土

发光材料袁以期得到发光性能更好尧高量子产率的

发光材料遥本文将从制备方法来阐述稀土核壳发光

材料的研究进展情况遥2.1湿化学法的研究进展

2.1.1溶胶-凝胶法的研究进展

2018年HaifengZou科研组采用无表面活性

剂的溶胶-凝胶工艺制备不同直径SiO2@TiO2:Eu3+

纳米球[8]遥二氧化钛晶粒尺寸的大小随着SiO2晶体

尺寸大小的增加而增大遥直径最大的样品由于相对

较小的曲率在降解甲基橙时表现出最强的红光发

射和最高的光催化效率袁通过Judd-Ofelt光谱分析

理论分析袁从发射光谱中确定了Eu3+的不同掺杂浓

度渊2-18mol%冤下的两个强度参数渊辐射跃迁速率

和分支比冤遥最后可以得出结论袁浓度猝灭效应的原

理是因为多极-多极相互作用遥另外袁较高的Eu3+离

子掺杂浓度可以加速TiO2从锐钛矿到金红石的相

变遥为合成其他功能纳米材料提供了新思路袁此核

壳荧光体有望应用于W-LED尧生物成像尧光催化等

领域遥2006年lin课题组通过溶胶-凝胶法成功制备

了亚微米SiO2@GdVO4:Eu3+核壳荧光粉[9]遥可以通过

退火温度和涂层的数量调节核壳荧光粉的荧光光

谱渊PL冤和低压光谱(CL)分析强度遥随着退火次数的

增加和涂层数量的增多尧PL和CL强度增大遥Eu3+

的最佳浓度为5mol%的GdVO4主体中Gd3+浓度遥2005年Lin科研组通过溶胶-凝胶工艺涂覆

YVO4:Eu3+层的SiO2球得到的YVO4:Eu3+@SiO2核壳

荧光粉具有球形形貌尧亚微米尺寸和窄尺寸分布[10]遥核壳荧光粉的光谱和动力学性质与已报道的块状

和纳米晶YVO4:Eu3+荧光粉相似遥随着退火温度和

涂层数量的增加袁YVO4:Eu3+@SiO2核壳荧光粉的光

致发光强度增加遥Eu3+的光致发光强度首先随PEG

浓度从0.04~0.08g/mL增加而增强袁当PEG的浓度

为0.08g/mL时达到最大值袁然后逐渐降低袁直到PEG浓度增加到0.20g/mL遥这种方法可以推广到制

备其他各种形态均一的核壳荧光粉袁并在一定程度

上减少了荧光粉的费用遥2010年袁YaogangLi科研组通过溶胶-凝胶法

将CaTiO3:Eu3+层涂覆在非聚集尧单分散和球形的SiO2颗粒上袁获得了具有球形形貌尧亚微米尺寸和

均匀尺寸分布的核壳结构的SiO2-CaTiO3:Eu3+核壳

荧光粉[11]遥在紫外光照射激发下袁核壳荧光粉表现

出来自CaTiO3:Eu3+的强红光遥可以通过控制涂层数

量来调节光致发光(PL)强度遥该工艺能够应用到制

备其他各种形态均一的核壳荧光粉遥这些核壳结构

的荧光粉可以用于近紫外白光LED袁在其他光子器

件上也有潜在的应用遥2011年PiaopingYang和JunLin课题组开发

了一种简便尧低成本的溶胶-凝胶工艺袁在SiO2微

球表面沉积均匀的LaInO3:Sm3+和LaInO3:Tb3+层[12]遥

实现的核壳结构LaInO3:Ln3+@SiO2荧光粉除了结晶LaInO3:Ln3+的涂层外袁保持纯SiO2球体的球形厚度

为30nm遥在紫外光或者低压电子束激发下袁核壳结

构的LaInO3:Sm3+和LaInO3:Tb3+荧光粉表现出Sm3+

和Tb3+的特征遥这与相应的大块LaInO3:Ln3+荧光粉

非常相似遥由于这种核壳结构材料具有球形形貌尧

单一形状的颗粒大小和多种荧光性质袁因此在场发

射显示器渊FED冤应用中具有特殊的意义遥2018年BallipalliChandraBabu课题组成功

地合成了SmPO4@SiO2:Eu3+核壳结构的荧光粉[13]遥即

将SmPO4颗粒封装在掺Eu3+的SiO2壳中遥这个所

制备的荧光粉在NUV区渊近紫外线区冤具有尖锐而

强烈的激发带袁并且表现出源于5D0寅7F4发射的约698nm的亮红色过渡到4f中的401nm的Eu3+激发

态遥详细研究了衰变寿命袁以确认Sm3+到Eu3+离子

能量转移的存在及能量的最大效率,这一比例约为66.58%SmPO4@SiO2:Eu3+渊0.13mol%冤核壳荧光粉遥

又通过偶极-偶极渊ET)相互作用机制实现了从Sm3+

到Eu3+的高效能量转移遥这个SmPO4@SiO2:Eu3+核

壳结构荧光粉的光致发光性能的最佳淬火温度大

于433K袁随着热活性魧E约为0.194ev遥SmPO4@SiO2:化学与食品工程

15--0.13mol%Eu3+核壳结构荧光粉的CIE渊国际照明委

员会冤坐标为(0.6255,0.3740)袁具有接近100%的

高颜色纯度遥以上结果表明在n-UV激发下Sm鄄PO4@SiO2:Eu3+核壳结构荧光粉具有良好的红色发

光性能袁可能有希望用作W-LED渊白色发光二极

管冤应用中的红色荧光粉遥2012年JunOuyang和KangningSun课题组

通过简单的溶胶-凝胶技术和随后的热处理用YVO4:Yb3+袁Er3+上转换荧光粉包覆单分散SiO2微球

由此产生的核壳结构SiO2@YVO4:Yb3+袁Er3+复合材

料保留了SiO2的形态特征袁即直径均匀的球形颗

粒[14]遥在980nm激光二极管的照射激发下袁复合材

料表现出明亮的绿色发光遥核壳结构SiO2@YVO4:

Yb3+袁Er3+在红外探测和显示器件领域具有非常大

的潜力袁是一种非常有前途的发光材料遥2006年Jia科研组开发了一种简单有效的溶

胶-凝胶工艺袁在单分散球形SiO2颗粒上涂覆Ca鄄WO4尧CaWO4:Eu3+和CaWO4:Tb3+磷光体层[15]遥获得的

核壳结构SiO2@CaWO4袁SiO2@CaWO4:Eu3+和SiO2@

CaWO4:Tb3+荧光粉遥在紫外光和低电压电子束激发

下SiO2@CaWO4袁SiO2@CaWO4:Eu3+和SiO2@CaWO4:

Tb3+荧光粉分别显示蓝色尧红色和绿色发光遥WO42-

所存在的能量分别转移到SiO2@CaWO4:Eu3+核壳荧

光粉中的Eu3+和SiO2@CaWO4:Tb3+核壳荧光粉中的Tb3+遥Tb3+的能量传递效率明显高于Eu3+遥获得的

核要壳型荧光粉在FED(场效应显示冤器件中有潜

在的应用遥2007年JunLin科研组采用溶胶-凝胶法和高

温退火法成功制备了尺寸分布均匀的球形核壳结

构Y2O3:Eu3+@SiO2颗粒[16]遥Y2O3:Eu3+@SiO2核壳粒子

的发光强度可以通过退火温度尧聚乙二醇渊PEG冤浓

度和涂层数量以及SiO2核尺寸来调节遥用这种方

法制备的荧光粉的优点是易于获得不同尺寸的均

匀球形形貌袁并且对于其他荧光粉材料具有广泛的

实用性遥2006年GuangzhiLi科研组通过溶胶-凝胶法

成功制备SiO2@Gd2Ti2O7:Eu3+核壳荧光粉[17]遥通过改

变沉积周期的数量渊四个沉积周期60nm冤袁可以很

容易地调整SiO2芯上Gd2Ti2O7:Eu3+壳层的厚度遥在310nm紫外光照射下袁SiO2@Gd2Ti2O7:Eu3+样品显示

出强烈的Eu3+发射遥对于600~800毅C退火的样品袁

由于Eu3+的5D0–7F2转变袁发射主要由613nm红色

发射控制袁而对于900~1000毅C退火的样品袁由于Eu3+的5D0–7F1转变袁发射主要由588nm橙色发射

控制遥SiO2@Gd2Ti2O7:Eu3+核壳荧光粉的发光强度随

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稀土材料的结构与性能研究进展

稀土材料的结构与性能研究进展

稀土材料的结构与性能研究进展

引言

稀土材料是一类具有特殊的化学和物理性质的材料，因其在光电、磁学、能源等领域的重要应用而备受关注。稀土元素由于其特殊的电子结构和能级分布，使得稀土材料具有许多独特的性质。在过去的几十年中，稀土材料的结构与性能研究取得了重要的进展，本文将对此进行综述。

稀土材料的结构研究

稀土材料的结构研究是了解其性能的基础。稀土元素的5d电子能级和深层f电子能级之间的作用，导致了稀土材料在晶体结构上的独特性。以稀土氧化物为例，其晶体结构通常为具有高度对称性的结构，如立方晶系或正交晶系。稀土氧化物中的稀土离子通常以八面体配位存在，而氧离子则在其周围形成一个六面体结构。这种特殊的晶体结构决定了稀土材料的一些特殊性质，如高温稳定性和磁学性质。

除了稀土氧化物，稀土金属材料也有着丰富的晶体结构。由于稀土离子的尺寸差异较大，稀土金属材料常常呈现出复杂的配位环境。以稀土钆（Gd）为例，它可以形成具有不同晶体结构的化合物，例如立方相、六方相和正交相等。

近年来，随着计算机技术的不断发展，理论模拟方法如第一性原理计算等在稀土材料结构研究中的应用也越来越广泛。这些方法能够准确预测稀土材料的晶体结构，并揭示其结构与性能之间的关联。

稀土材料的性能研究

稀土材料因其特殊的结构，具有许多独特的性能。其中，磁性是稀土材料最为突出的性能之一。稀土材料中的f电子能级对磁性起到了关键作用。稀土金属中的未成对电子在高温下按泡利排斥原理分布，使金属呈现无序磁性。当温度降低至一定程度时，稀土金属可呈现出有序磁性，如顺磁性、铁磁性等。

另外，稀土材料还具有优异的荧光性能。由于稀土元素的独特电子结构，稀土材料能够吸收特定波段的能量，然后以辐射光的形式释放出来。这种荧光性能使得稀土材料在光电器件和显示器件等领域具有重要的应用前景。

此外，稀土材料还具有良好的光学性能、电学性能和热稳定性等特点。这些性能使得稀土材料在能源存储、光催化和电子器件等领域具有广泛的应用。

Lu2O3-SiO2体系闪烁体材料研究进展

Lu2O3-SiO2体系闪烁体材料研究进展

Lu2O3-SiO2体系闪烁体材料研究进展

赵曼;钟玉荣;徐宝龙

【摘 要】闪烁体材料是一类吸收X-射线或α,β-射线等高能光子后发出可见光的光功能材料,在高能物理、核医学、地质勘探等领域应用广泛.综述了Lu2O3-SiO2体系闪烁体材料的最新研究进展,包括闪烁晶体、闪烁陶瓷、闪烁粉体和闪烁薄膜的研究现状,并对Lu2O3-SiO2体系闪烁体材料的应用和发展进行了总结.

【期刊名称】《化学与生物工程》

【年(卷),期】2013(030)012

【总页数】4页(P1-4)

【关键词】闪烁体;Lu2O3-SiO2体系;闪烁晶体;闪烁陶瓷;闪烁粉体;闪烁薄膜

【作 者】赵曼;钟玉荣;徐宝龙

【作者单位】烟台大学光电信息科学技术学院,山东烟台264005;烟台大学光电信息科学技术学院,山东烟台264005;烟台大学光电信息科学技术学院,山东烟台264005

【正文语种】中 文

【中图分类】TQ174

在X－射线或α，β－射线等高能粒子的照射下发出紫外或可见光的功能材料被称为闪烁体材料[1，2］。闪烁体可分为有机闪烁体和无机闪烁体，有机闪烁体主荧光效率比较高，体积却不易过大；无机闪烁体根据应用范围不同，可分为闪烁晶体、闪烁陶瓷、闪烁粉体和闪烁薄膜等不同形态。

近年来，稀土掺杂含镥（Lu）氧化物、硅酸盐闪烁体因其优异的发光性能越来越受到人们的关注[3］。作者在此对Lu2O3－SiO2体系闪烁体材料的晶体、陶瓷、粉体、薄膜4种形态材料的研究现状和进展进行了总结。

1 闪烁晶体的研究进展

随着地质勘探、高能物理和核医学技术方面要求的提高，闪烁体材料由于具有光输出率高、衰减速度快、无余辉等优良闪烁特性而受到广泛关注[4］。特别是Lu2SiO5：Ce和Lu2Si2O7：Ce是 Lu2O3－SiO2体系中最稳定的化合物，具有成为优秀闪烁体材料的潜质[5］。

Lu2SiO5：Ce（LSO：Ce）晶体的密度为7.4g·cm－3，光输出较高，衰减时间为40ns，发光波长为420nm，特别适合用于高能γ－射线的快速探测。已有许多研究人员先后开展了LSO：Ce晶体的生长实验和性能研究。任国浩等[6］应用提拉法（Czochralsky，Cz）和铱坩埚感应加热技术生长出了尺寸为Φ35mm×40

稀土掺杂纳米发光材料的研究发展

稀土掺杂纳米发光材料的研究发展

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-可修编- 稀土掺杂纳米发光材料的研究开展

XX：王林旭 学号：5400110349 班级：经济107

摘要：本文先介绍了关于稀土纳米发光材料的有关根本概念及根本用途，让读者有个根本认识。文章重点对稀土氟化物纳米颗粒的上转换光学性能以及稀土磷酸盐纳米发光材料的研究进展方面做个简单的介绍

关键词：稀土发光材料稀土磷酸盐纳米发光材料

1．引言：短短半个学期的选修课学习，自己对纳米材料有了一定的了解，这篇论文的选题是“稀土掺杂纳米发光材料的研究开展〞，查阅跟搜索了相关资料后，主要从稀土氟化物纳米颗粒的上转换光学性能以及稀土磷酸盐纳米发光材料的研究进展方面给以论述。

首先，先来了解几个根本概念。

1.1什么是稀土元素？

稀土元素包括钪、钇和５７到７１的镧系元素共１７种元素 。它们在自然界中共同存在，性质 非常相似。由于这些元素发现的比较晚又难以别离出高纯状态 ，最初得到的是元素 的氧化物 ，它们的外观似土，所以称它们为稀土元素。

稀土元素的电子组态是［Ｘｅ］４ｆＤＩ１ ５ｓ２５￣ｓａｏ～６ｓ２。镧系元素离子的吸收光谱或激发光谱，来源于组态内的电子跃迁，即ｆ—ｆ跃迁；组态间的能级跃迁，即 ４ｆ一 ５ｄ，４ｆ一６ｓ，４ｆ一６ｐ等跃迁：还有电荷迁移跃迁，即配体离子的电子向离子的跃迁，从高能级向低能级的跃迁就产生相应的发射光谱。由于稀土的这些特性，所以它可以做发光材料。发光材料包括半导体发光材料 和稀土化合物发光材料两大类 …１。稀土荧光材料以应用铕、铽、钆、钇等高纯中稀土为主要特色２。纳米 稀土发光材料是指基质粒子尺寸在 １— １ｏｏ哪的发光材料 l３。纳米粒子本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、外表效应和宏观量子隧道效应等。受这些构造特性的影响，纳米稀土发光材料表现出许多奇特的物理和化学特性，从而影响其中掺杂的激活离子的发光和动力学性质，如光吸收、激发态寿命，能量传递，发光量子效应和浓度猝灭等性质 。

TiO_2和SiO_2TiO_2基稀土双功能复合材料的合成、结构及性能研究

TiO_2和SiO_2TiO_2基稀土双功能复合材料的合成、结构及性能研究

TiO_2和SiO_2/TiO_2基稀土双功能复合材料的合成、结构及性能研究

作为最有前景的光催化剂之一,TiO2已被广泛用于光催化降解有机污染物领域,以解决环境污染问题。此外,由于TiO2具有相对宽的带隙、高折射率、高化学稳定性和较低的声子能量等特点使其可用作稀土掺杂发光材料的主体以用于荧光粉、X射线成像、闪烁体、激光和显示监视器等领域。

然而,目前对于TiO2的发光与光催化性质及其关联规律的研究鲜有报道。此外,SiO2修饰的TiO2复合材料表现出比纯TiO2材料更高的发光强度及光催化活性,且SiO2@TiO2复合材料的形貌及晶相可以通过SiO2的蚀刻过程进行控制,而材料的物化性质往往与晶相及形貌密切相关。

因此可控合成TiO2基发光及光催化材料,详细讨论材料的发光性质、光催化活性及两种性质的相关性十分必要。本论文制备了多种不同形貌、尺寸及晶相的稀土掺杂TiO2及稀土掺杂SiO2@TiO2纳米材料,详细研究了产物的生长机理、发光性质及光催化活性,系统地探讨了发光强度与光催化效率的相关性。

研究工作主要包括以下几部分:1.通过水热及静电纺丝法制备了纳米棒、稻草束、微米花、纳米纤维等不同形貌的TiO2:Eu3+材料。在紫外光激发下,材料呈现Eu3+的红光发射。

推测了材料的形成机理,讨论了发光强度与形貌的关系,研究了煅烧温度对锐钛矿与金红石的晶相比例及产物形貌的影响。研究结果发现适量Eu3+的引入不仅赋予TiO2以发光性能,还可提高其光降解甲基橙的效率。

通过计算Judd-Ofelt参数推测了Eu3+离子主要占据TiO2中的C2v、C2和Cs位点。2.以球形SiO2为模板,通过溶剂热包覆法及蚀刻过程合成了SiO2@TiO2:Eu3+/Sm3+核壳结构、蛋黄状结构及空心结构复合材料,探讨了材料形貌对发光强度及光催化性能的影响,并研究了光利用率、结晶性、Ti-O-Si键及比表面积等因素对发光强度及光催化活性的影响占比。