溶胶凝胶法制备铽离子掺杂的锌硼硅体系长余辉发光玻璃

李晶华 张明熹＊ 王伟 赵晨晨 蔡永丰 黄超 刘文静 李锋锋

(1.河北联合大学轻工学院,河北唐山 063000;2.唐山科技职业技术学院冶金系,河北唐山 063000)

溶胶凝胶法制备铽离子
掺杂的锌硼硅体系长余辉发光玻璃

李晶华1张明熹1＊王伟2赵晨晨1蔡永丰1黄超1刘文静1李锋锋1

(1.河北联合大学轻工学院,河北唐山 063000;2.唐山科技职业技术学院冶金系,河北唐山 063000)

采用溶胶凝胶法制备了离子掺杂的锌硼硅体系长余辉发光玻璃。通过对发光玻璃进行X-射线衍射分析、差热分析、红外光谱分析,考察了玻璃的非晶结构以及合成过程中物理化学变化,研究了Tb3+掺杂浓度对玻璃的长余辉性能的影响。结果表明,铽离子浓度为1.0%时制得余辉性能良好的发光玻璃。

长余辉发光玻璃 溶胶凝胶 ZnO-B2O3-SiO2Tb3+

1 引言

余辉过程是指物体在某种外界作用激发下偏离了平衡态,储存了激发能,当激发停止以后发出光。相对于晶体而言,玻璃在长余辉方面具有较强的优势。在玻璃中掺杂较高浓度的稀土激活离子,形成有效的发光中心和陷阱中心,从而可以获得良好的长余辉发光。此外,玻璃具有均匀透明并且易于加工成各种形状的特点,例如纤维和大尺寸平板,已被广泛用作实现显示、光电转换、传感、光电信息等功能的基质材料[1,2]。玻璃态的长余辉发光材料可以应用于激光、光学放大器、光通讯、储能和显示等诸多领域,有着更加广阔的发展前景。

2 实验

按配比称取一定量的氧化铽溶于适量浓硝酸中,再量取一定配比的无水乙醇和正硅酸乙酯,混合均匀,然后按配比配制的硝酸锌和硼酸的混合溶液,将上述配制好的三种溶液混合,使用恒温磁力搅拌器搅拌1h,加入柠檬酸,继续搅拌得到溶胶,以氨水调节pH值,将溶胶水浴加热得到凝胶,放入烘箱中干燥24h得到粉末,将粉末高温煅烧1～2小时,退火得到余辉玻璃。

3 实验结果分析

3.1 X-射线衍射分析

图1是组成为60ZnO-20B2O3-20SiO2∶1.0% Tb3+的XRD图谱。图谱为典型的玻璃弥散峰,没有晶相存在,意味着此物质是无定形态,为非晶体结构。

图2 差热分析

3.2 差热分析

图2是组成为60ZnO-20B2O3-20SiO2∶1.0% Tb3+干凝胶样品的差热—热重曲线。从曲线上可以看出,尽管凝胶已在60℃条件下干燥,但在159℃处有一个慢吸热峰,而且失重曲线上有一定的重量损失,说明还有部分水分或有机物的移出。由分析可知,在177.9℃的尖锐放热峰是柠檬酸的分解引起的(柠檬酸的分解温度在153℃左右),伴随重量损失[3]。而240.7℃,331℃,423℃,564.7℃处的慢吸热谷是封闭在Si-O-B-O网络内部的结构水(内部羟基)的脱出引起的。在1000℃以后热重曲线上几乎没有变化,样品趋于恒重[4]。

表1 铽离子浓度对玻璃发光性能的影响

3.3 铽离子浓度对余辉性能的影响

本实验研究了Tb3+浓度摩尔比分别为0.1%、0.5%、1.0%、

图4 组成60SrO-20MgO-20SiO2玻璃样品的余晖衰减曲线

2.0%,制得玻璃的长余辉发光性能。其性能结果如表1所示。

由表中结果可以看出,随着铽离子浓度的增加,材料中陷阱的浓度也随之增大,故而产生的余辉现象较好,浓度为1.0%时得到最好的余辉玻璃。但当铽离子浓度过大时,难以形成玻璃。

图4为组成660ZnO-20B2O3-20SiO2∶1.0% Tb3+玻璃样品在254nm紫外灯激发20min后测得的587nm发光的余辉衰减曲线。余辉衰减由快衰减和慢衰减两个过程。

4 结语

采用溶胶凝胶法制备出了铽离子掺杂的长余辉发光玻璃,并对其合成过程、非晶结构以及铽离子掺杂浓度等因素进行了研究,得出结论如下∶

(1)从XRD图谱中可以发现,没有晶相存在,是典型的玻璃弥散峰。

(2)Tb3+浓度在0.05%～1.0%范围之间,随着Tb3+浓度的增加会使余辉强度增加,余辉时间延长,余辉衰减均由快衰减和慢衰减两个过程。

[1]张俊英,张林,王天民.长余辉发光玻璃的研究进展[J].材料导报,2009,17(4):17-20.

[2]李成宇.发光玻璃的研究-稀土长余辉玻璃[D].长春:中国科学院长春应用化学研究所,2002.

[3]孙心媛,顾牧.Tb3+掺杂硅酸盐玻璃发光性能的浓度依赖关系[J].上海:同济大学,21(6):2006.

[4]杨靖.长余辉发光材料的机理及应用[J].本溪冶金高等专科学报,2004,12(4):6-12.

Tb3+-doped ZnO-B2O3-SiO2long lasting glass preproducted by sol-gol method in this resreach.Amorphous structure, synthetic process and the physical-chemical reactions of glass were detected by X-ray diffraction analysis, ifferential thermal analysis and infrared spectroscopic analysis. Meanwhile the effect of Tb3+concentration on phosphorescence was researched.The results was showed that phosphorescence was the most excellent when the concentration of Tb3+was 1.0%.

Luminescent glasses sol-gel ZnO-B2O3-SiO2Tb3+

项目资助:河北省唐山市科技局项目(131302107b),河北联合大学轻工学院科研基金项目,河北联合大学轻工学院大学生科技创新活动立项。

李晶华(1990—),女,研究方向:无机发光材料。

张明熹(1981—),女,讲师,主要从事功能材料的研究。