浅析纳米稀土含氧酸盐材料的合成和发光性

＊乔 鑫

（包头稀土研究院 内蒙古 014020）

引言

稀土含氧酸盐材料的研究主要采用水热法和溶胶-凝胶方法来试验探究，此次实验中，先决条件是材料的制备，运用不同分析法分析材料性质，通过分析试验过程中的调验数值，可结合具体需求，研制出具有不同性能的纳米稀土含氧酸盐发光材料。

1.研究纳米发光材料的重要性和必要性

稀土元素的发光属性，其光谱性多为内部的离子电子层f-f和f-d原子跃迁所致，再根据稀土内离子的分布及排布规律，创建稀土含氧酸盐发光材料更多的发展空间。稀土含氧酸材料的结构具有多样性，其功能性也丰富，在光学及气体专业领域备受推崇，稀土作为一种发光材料，具有优良的性能，但需特别注意的是，这种材料的发光过程极易受到外界环境的干扰，应用多种试验方式能研制出不同形态和结构的发光性材料，以便去适应不同的需要。通过不同的研究分析，了解在不同形态结构中的稀土含氧酸盐发光材料其具备的发光性能有深刻的重大意义。

2.稀土发光材料的优势和特性

稀土含氧酸盐发光材料稳定特性强，如热源稳定性、化学稳定性等，且其结构较为独特，更具备制造发光材料的基本化合物素质。在稀土磷酸盐发光材料中的阳离子含有非常丰富的格位，它能于外界晶体无任何改观的条件下，使得稀土离子进入内部，为增强光转换性能，内部稳定离子电荷发挥作用，且抗射线辐射能力强，并具有耐高能电子束。此外，这种材料具有多种性能优势，如气敏性和磁性强，且伴有催化活性能，依据不同性能在不同领域备受应用，如研制出的磁光材料、介电材料和传感器等领域。

稀土发光材料的优势可分为5点：

（1）稀土离子中可快速激活发光体，极易发现生成的掺杂和敏化情况；（2）稀土离子内部激发产生的电子具有较长的寿命周期，远远长于市面上普通的原子内部激发产生的电子寿命周期；（3）稀土会以晶体发光向四周扩散，大量电子激活荧光体，即使发光体停止运作，依然能长时间持续发光；（4）稀土发光材料具备制造不同种类的发光体特性；（5）稀土发光材料具有的光学光谱非常丰富，并具有发光性能[1]。

3.稀土磷酸盐发光材料与钛酸钙荧光材料实验

主要的研究方向可分为3项：

（1）通过使用水热法进行制备纳米稀土含氧酸盐发光材料RePO4·nH2O（Re=Eu、Nd、Pr；n=0、1），适当将相关参数作调整和修改后，确定下来热水温度、pH值和不同结构活性对材料结构的影响。使用溶胶-凝胶研制CaTiO3:Pr3+的纳米发光材料。

（2）在通过分析XRD、TEM、SEM的表面结构特征，研究在不同实验背景下合成出的材料结构形态数据，分析出其材料在不同条件下受复杂因素的影响，了解其机理产生的主要原理。

（3）将材料进行对比，分析不同形态特征的发光属性，如红外线、紫外线及光致发光谱等，设定条件为水温不变的情况下，分析热水对EuPO4·H2O纳米材质的作用，以及对其发光强度的不同影响，研究多种水温条件下，分析制成NdPO4·nH2O（n=0、1）纳米材料对其发光强度的影响。与此同时，钻研PrPO4纳米材料基本发光属性，经调整不同参数、浓度和温度，分析Pr3+浓度高低带来的不同发光效果，以及对这一纳米材料自身带来的影响。

(1)稀土磷酸盐发光材料的试验步骤

充分应用热水法，研制性能优良的材料，先确保此次实验在温和条件下进行，参照公式为NdPO4·nH2O（Re=Eu、Nd、Pr；n=0、1），此次实验具体操作环节如下：

①选取适量调剂品Re3+，掺入去离子水，两者充分搅拌后，形成试验溶液；②确定试验试剂为NH4H2PO4，取适量去离子水，经搅拌调配一定浓度的PO43-溶液；③取出适量PO43-溶液，采取缓慢滴入方式，加入到Re3+溶液中，两者混合后给予充分搅拌，搅拌时间不能低于半小时；④为调节和衡量pH值，将氨水掺杂到溶液内，此时需要大力搅拌；⑤将溶液充分搅拌均匀2h后，将其装入到高压反应釜仪器内，适时把握水热反应，调控好时间和温度；⑥最后，在冷却后将产物进行洗涤，需保持在60℃以下干燥一定时间，最终取得试验样品[2]。

(2)钛酸钙荧光材料的试验步骤

合成钛酸钙荧光材料具有多种方法，而溶胶-凝胶法最为实用和有效，该方法具有多种优势和价值，如产品均匀性好、发光性能强等，深受相关专业领域内的推崇和应用，其试验操作具体如下：

①将六水硝酸普和醋酸钙调配成一定比例，取适量与去离子水混合，同时加入无水乙醇和硝酸材料，经搅拌均匀后，形成A溶液；②再取7ml的钛酸丁酯，缓慢滴入到30ml的无水乙醇中，给予充分搅拌，确定pH值，调制而成B溶液；③将溶液调配成一定比例后，采取缓慢滴入方式，加入到B溶液中，均匀搅拌，水温要在90℃且水浴在30min；④最后，将水浴后的产物在条件120℃的环境下干燥，在经过800℃退火，最终制成实验样品[3]。

4.稀土纳米含氧酸盐材料的性能探究

(1)EuPO4·H2O表象的XRD物相分析

此次试验中，于恒定温度为180℃，恒定研究时间为2天，分析不同pH值下的合成实验产物EuPO4·H2O的XRD也呈现不同形态。在pH=1值的条件下制成的实验样品比对标准卡片JCPDS20-1044，通过比对合成六方晶体材料EuPO4·H2O，其中表现图的22°与27°的衍射峰为单斜晶系EuPO4（JCPDS83-0656）衍射峰；当pH值分别为3、5和8的不同条件下，合成出的材料和标准卡JCPDS 20-1044相吻合，合成出的实验产物六方晶体EuPO4·H2O材料为纯相，其晶胞参数为：a=6.9055 A，b=6.9055 A，c=6.3257 A，y=120°，其空间群为P3121。

使用水热法合成的六方晶相结构EuPO4·H2O纳米材料的试验里，首先，在水热为180℃、时间为24h，当pH值参数不同条件下，研究试验样品，结果显示若pH值为3、8条件下可以合成出六方晶相结构的EuPO4·H2O纳米材料；其次，在水热时间24h，pH=5的环境条件下，水热温度不同为（120℃、150℃、180℃、200℃）中也可合成出六方晶相结构的EuPO4·H2O纳米材料；最后，在水热时间24h，pH=5环境条件下，水热温度保持在180℃，再加入PEG与CTAB的条件下也均合成出六方晶相结构的EuPO4·H2O纳米材料。

(2)PrPO4的表象XRD物相分析

恒定研究温度为180℃，研究试验于2天内完成，经调整不同pH值，分析PrPO4的XRD，通过pH=1、3的条件下合成出的成品与标准卡JCPDS78-1025对比，最终合成为单协晶系PrPO4纳米材料；在pH=5的条件下合成材料也为单协晶系PrPO4主相的纳米材料，且在15°的条件下衍射峰为六方晶相的结构PrPO4·H2O（JCPDS 20-0966）。

在水热保持180℃，时间为24h且pH=1的环境条件下，合成的实验产物为PrPO4的SEM材料。当pH=1时，PrPO4实验样品为棒状结构的纳米材料，此材料会出现很严重的团簇现象。

(3)分析总结

①通过采用水热方法保持温度在120-200℃的范围内且pH值为1-8的不同参数下，研制出的实验合成物具有一致特性，如结晶好、形态均匀及大小相同等，此合成物为纳米结构PrPO4·nH2O（Re=Eu、Nd、Pr，n=0、1）材料。②于不同水热环境下给合成稀土碳酸材料带来不同影响。③于退火温度800℃条件下，充分应用溶胶-凝胶研究法、时间为12h的条件下，掺杂浓度不同Pr3+下合成出的成品结晶好且尺寸也一致的CaTiO3:Pr3+的材料，形成方块状物体。④在不同光线环境下，使用紫外-可见光吸收光谱（UV-Vis）和温室光致发光的（PTPL）测试法，分析稀土含氧酸盐纳米材料构造及光学特性。

5.实验的创新与不足

本次通过水热法来试验纳米稀土氧酸盐材料的合成与发光性能，从实验中发现出其创新性，主要包括：首先，通过采用水热法研制合成出稀土磷酸盐材料，在改变水热反应的pH值后，合成出了单协晶系NdPO4和六方晶相的结构EuPO4·H2O材料；其次，发现在不同水热环境条件下对稀土磷酸盐材料在发光性能上的影响，通过研究分析EuPO4·n2O呈现红色的发光特性；然后发现了NdPO4·nH2O（n=0、1）发光时出现红色或近红色，NdPO4·nH2O（n=0、1）结构特性对纳米材料及发光强度均有影响，最终得出结论为稀土钛酸盐CaTiO3:Pr3+荧光材料呈现出红色发光的特性。

本次研究也存在不足之处，包括：使用水热方法研制合成的纳米稀土磷酸盐材料在其生长机理特性方面还需深入研究；对纳米稀土含氧酸盐的发光性能上还需要拓展研发，同时还要对其气敏性与光催性方面进行深入研究。

6.结语

如今光学技术快速发展，其应用涉及在不同领域中，各国都致力于发光性材料的研发制造上。本文以水热和溶胶-凝胶法进行研究合成出纳米稀土含氧酸盐材料，并对其在不同环境条件下进行各种性能上的实验，了解了此稀土含氧酸盐材料在受不同条件下所产生的形态特性与发光性能，并提供出相应数据信息，以此为我国发光性能材料的研究发展提供帮助。