Y2O3：Eu3+纳米粉体的制备及其性能研究

赵澎，石慧，韦家蓓，黄蔚蔚，孙宁霞，朱里昊，张希艳

（长春理工大学 材料科学与工程学院，长春 130022）

Y2O3是一种熔点高、光学性能、化学稳定性及热稳定性好的基质材料，稀土元素具有优良的化学、光学和磁学性质，以Y2O3为基质掺入稀土元素的材料，具有色纯度较高，发光效率卓越等一系列优点［1］，引起研究者们的广泛关注。掺有Eu3+的红色发光材料是当代研究稀土发光材料的热点之一［2］，如Y2O2S：Eu以及CaS：Eu等红色荧光材料。

如今，作为荧光粉系列中研究最早的一类，Y2O3：Eu3+纳米粉体已广泛用于荧光灯、彩色电视显像管、投影电视显像管等照明和显示器件等［3-5］。长期以来国内外普遍采用高温固相法合成了Y2O3：Eu3+粉体［6-9］，如徐燕等［6］早在1981年就利用高温固相法合成了Y2O3：Eu3+纳米粉体。但是，随着固态照明（白光LED）和高分辨显微技术的发展，对荧光粉的发光性能及颗粒形貌、粒度的要求越来越高。虽然固相法得到的粉体发光效率较高，但存在颗粒尺寸大、粒度分布不均匀及表面形貌难于控制等缺点，因此，近年来荧光粉的制备研究逐渐向颗粒细、球形度高、纯度高、尺寸分布范围窄的方向发展［10］。

本文分别以NH3∙H2O和NH4HCO3为沉淀剂，采用共沉淀法，通过控制沉淀条件，获得了粒度均匀、分散性好的样品，研究了不同掺杂浓度、烧结温度对样品颗粒度、晶相形成和微观形貌等的影响。

1 实验

1.1 粉体的制备

本文采用共沉淀法合成Y2O3：Eu3+纳米粉体，主要原料有Y2O3（99.99%）、Eu2O3（99.99%）、NH3·H2O（分析纯）和NH4HCO3（分析纯）。首先将Y2O3和Eu2O3按照一定化学计量比混合，加入适量浓硝酸后置于磁力搅拌器上加热溶解，待完全溶解后，加入适量去离子水配制成0.5mol/L的稀土硝酸盐溶液，同时称取微量的（NH4）2SO4作为分散剂加入混合的硝酸盐溶液中溶解，分别配制2mol/L的NH3·H2O和NH4HCO3作为沉淀剂，采用反向滴定法，将稀土硝酸盐溶液缓慢的滴到沉淀剂中，直至结束，继续搅拌2h，然后进行陈化处理，将陈化的沉淀进行抽滤后，用去离子水、无水乙醇清洗沉淀，将清洗后的沉淀在80℃条件下烘24h后，用玛瑙研钵研磨得到前驱体，将前驱体在700～1200℃下灼烧2h，获得Y2O3：Eu3+纳米粉体。

1.2 粉体的表征

采用日本理学Rigaku D/Max-rA转靶X射线衍射仪，对纳米粉体进行物相分析，辐射源为CuKα1（λ＝0.15406nm，2θ角的扫描范围10°～80°），扫描步长为0.02，扫描速度为5°/min；采用JEOL公司的JSM-6700F型扫描电子显微镜观察灼烧后的Y2O3：Eu3+纳米粉体的微观表面形貌；采用日本岛津RF-5301PC型紫外可见荧光分光光度计对样品进行荧光光谱分析。

2 结果与讨论

图1（a）是以氨水为沉淀剂制备的前躯体分别在700～1200℃下灼烧2h所得产物的XRD衍射图，与标准PDF卡片41～1105相吻合。在700℃时，Eu3+已经完全掺杂到Y3+的晶格中，单一相的Y2O3形成，但此时晶格发育还不完全。随着灼烧温度的升高，衍射峰越来越尖锐，衍射强度越来越强，说明灼烧温度的升高促进了晶粒的长大，Y2O3晶格发育完全。

表1是根据图1（a）的XRD图谱的Gauss拟合数据及由Scherrer公式计算出来的粉体的平均晶粒尺寸。结果表明，随着温度升高，平均晶粒尺寸逐渐增加，从700℃的15.9nm增加到1200℃的69.9nm，晶格逐渐发育完全。

图1（b）是以碳酸氢铵为沉淀剂制备的前驱体分别在700～1200℃下灼烧2h所得粉体的XRD衍射图谱，与标准PDF卡片41-1105相吻合。当煅烧温度为1100℃时，已经形成了发育较为完善的，晶相较纯的Y2O3：Eu3+。但温度过高时，晶格会产生畸变。

图1 不同温度灼烧纳米粉体的XRD图

表2是根据图1（b）的XRD图谱的Gauss拟合数据及由Scherrer公式计算出来的粉体的平均晶粒尺寸。从表2可以看出，随着灼烧温度的升高，晶粒的尺寸变大，从700℃的22.8nm增加到1100℃的82.1nm，晶格逐渐发育完全。

表1 不同灼烧温度的粉体（氨水沉淀剂）平均晶粒尺寸

表2 不同灼烧温度的粉体（碳酸氢铵沉淀剂）平均晶粒尺寸

图2 不同温度下氨水法得到的粉体的SEM图

图2是氨水法分别在700℃、900℃、1100℃、1200℃下煅烧2h得到的粉体的SEM图。从图（a）中可以看出粉体颗粒已经发生结晶化。随着温度的升高，粉体的颗粒逐渐长大，当温度升到900℃时，颗粒基本发育完全，其颗粒尺寸达到纳米级。当温度为1100℃时，可以观察到分散度良好、近似球形的小晶粒，粉体粒度分布均匀，颗粒细小，晶粒发育完全，而在1200℃下的颗粒形貌由于温度过高发生了改变。

图3 不同温度下碳酸氢铵法得到的粉体的SEM图

图3是碳酸氢铵法分别在700℃、900℃、1100℃、1200℃下煅烧2h得到的粉体的SEM图。随着温度的升高，晶型逐渐发生转变，粉体的团聚逐渐减少；当灼烧温度达到900℃以上时，可以观察到分散度良好的，近似球形的小晶粒，粉体粒度分布均匀，颗粒细小，晶粒发育完全，粉体的SEM图分析结果与XRD分析结果相符合。

图4是以氨水为沉淀剂制备的前驱体分别在700～1200℃条件下灼烧2h得到的Y2O3：Eu3+纳米粉体的发射光谱。样品在波长为254nm的紫外光激发下发出红光，最强的发射峰位于611nm。随着灼烧温度的升高，样品的发光强度也随之增强。从图中可以看出，灼烧温度为1200℃的样品发光强度最强，但在该温度下，纳米粉体颗粒形貌发生畸变，晶粒异常长大。

图5是以碳酸氢铵为沉淀剂制备的前驱体分别在为700～1200℃条件下灼烧2h得到的Y2O3：Eu3+纳米粉体的发射光谱。样品在波长为254nm的紫外光激发下发出红光，最强的发射峰位于611nm。煅烧温度从700～900℃，发光强度逐步减弱，温度继续升高，发光强度逐步增强。在1100℃时，Y2O3：Eu3+纳米粉体的发光强度达到最大值。

图4 以氨水为沉淀剂不同温度灼烧纳米粉体的发射光谱

图5 以碳酸氢铵为沉淀剂不同温度灼烧纳米粉体的发射光谱

稀土离子的掺杂浓度对样品发光性能有着非常重要的影响。实验采用碳酸氢铵共沉淀法获得前驱体，前驱体在1100℃下煅烧2h，通过掺杂不同的Eu3+离子浓度，来确定最佳的掺杂含量。从图6中可以确定，Eu3+离子的最佳掺杂浓度为5%mol。随着Eu3+离子浓度的增加，发光强度逐渐增强，而当Eu3+离子浓度过高时，发生浓度猝灭，发光强度下降。

图6 不同掺杂浓度的发光强度

3 结论

本文分别以氨水和碳酸氢铵为沉淀剂，采用共沉淀法制备了Y2O3：Eu3+纳米粉体的前驱体，在灼烧温度分别为700～1200℃，保温时间为2h的条件下灼烧的到Y2O3：Eu3+纳米粉体。以两种沉淀剂制备的纳米粉体均为纯相，与Y2O3标准PDF卡片41-1105相吻合。颗粒近似呈球形，晶粒尺寸约为80nm，且所得的样品为纯的立方晶相，属于Ia-3［206］空间群。在1100℃、2h下获得的Y2O3：Eu3+纳米粉体在254nm紫外光激发下能发出611nm的红光，对应于Eu3+的5D0→7F2电偶极跃迁，且氨水共沉淀法的发光强度高于碳酸氢铵共沉淀法。

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