稀土發(fā)光材料

1、 畢業(yè)論文（設計） 題 目： 燃燒法制備YAG：Ce3+熒光粉 院 系： 物理學院 專 業(yè)： 應用物理 姓 名： 劉謙 指導教師： 徐曉娟 完成日期： 二一六年五月 摘 要稀土發(fā)光材料以其長余輝時間、高發(fā)光亮度以及無輻射無污染等優(yōu)異特點，成為了當前國內(nèi)外研究的熱點方向。稀土發(fā)光材料包括基質(zhì)和激活劑兩部分組成，其主要合成方法包括高溫固相法、溶膠-凝膠法、燃燒法等。燃燒法作為一種新型的合成方法，即便研究時間較短，但是仍然表現(xiàn)出了極高的應用前景。而白光LED作為一種節(jié)能、高效、環(huán)保、長壽命的新型固態(tài)照明技術，被譽為第四代新型照明光源。有關白光LED方面的探索也將是稀土研究的重要方向。本論文將采用燃燒

2、法制備白光LED的主要原料YAG：Ce3+熒光粉，并探究其最佳的制備條件和制備方案。本次實驗采用低溫燃燒法合成YAG：Ce3+光致發(fā)光熒光粉,以A1(N03)3·9H20, Y(N03)3·6H20 和 Ce(N03)3·6H20 為氧化劑采用尿素作為還原劑。并用熒光光譜儀對YAG：Ce3+粉體的激發(fā)光譜、發(fā)射光譜進行測試。實驗結果表明：1. 燃燒溫度與激發(fā)強度沒有線性關系。2. Ce3+的摻雜比例并非越高越好，其最佳摻雜比例為0.06。3. 尿素的加入比例對實驗結果有很大的影響，尿素加入量過少將無法成功制備出發(fā)光粉體。4. 一定的燃燒時間有助于粉體性能的增強，隨

3、燃燒時間的增加粉體激發(fā)強度將逐漸變高。關鍵詞：YAG熒光粉；燃燒合成；發(fā)光材料；稀土AbstractRare earth luminescent materials with high brightness, long luminous time and no radiation no pollution and excellent characteristics, has become a hot research direction at home and abroad. Rare earth luminescent material is composed of two parts, t

4、he matrix and the activator. The main synthesis methods include high temperature solid state method, sol- gel method, combustion method and so on. As a new synthesis method, combustion method, even though the research time is short, still has a very high application prospect.The white LED as an ener

5、gy efficient, environmentally friendly, the new long-life solid-state lighting technology, known as the fourth generation of new lighting. The exploration of white LED will be an important direction of rare earth research. In this paper, we will use the combustion method to prepare the YAG:Ce3+ phos

6、phor which is the main raw material of white LED , and explore the best preparation conditions and preparation method .The YAG: Ce3+ was prepared by low-temperature combustion phosphors synthesis method, process with A1(N03)3·9H20, Y(N03)3·6H20 and Ce(N03)3·6H20 as oxidant and urea as

7、 reducing agent. The excitation spectrum and emission spectrum of YAG:Ce3+ powder were tested by fluorescence spectrum.Experimental results show that:1 There is no linear relationship between the combustion temperature and the excitation intensity. 2 Ce3+ doping ratio is not the bigger the better, t

8、he best doping ratio is 0.06.3 The addition of urea has a great influence on the experimental results, if the amount of urea is too small, we will not be able to successfully prepare the luminous powder.4 The combustion time is helpful to enhance the performance of the powder, and the excitation int

9、ensity of the powder will gradually increase with the increase of the combustion time.Key words: YAG phosphor；Combustion synthesis；Luminescence materials；Rare earthII目錄引言1第1章 燃燒法和稀土發(fā)光材料簡介21.1 稀土發(fā)光材料21.1.1 發(fā)光的基本原理21.1.2 稀土發(fā)光材料的分類及應用21.2 發(fā)光材料的主要合成方法31.2.1 溶膠凝膠法31.2.2 高溫固相法31.2.3 燃燒法41.3 YAG：Ce3+熒光粉51.

10、3.1 YAG：Ce3+熒光粉簡介51.3.2 YAG：Ce3+熒光粉的發(fā)光機理51.3.3 白光LED的優(yōu)點61.4 稀土發(fā)光材料的研究現(xiàn)狀及問題7第二章 YAG：Ce3+熒光粉的合成制備82.1 反應基本原理82.2 實驗材料及實驗儀器82.2.1 實驗藥品82.2.2 實驗設備92.3 樣品制備102.3.1 樣品制備過程102.3.2 實驗流程圖102.4 實驗方案11第三章 實驗結果及性能測試分析133.1 實驗樣品的測試133.2 實驗數(shù)據(jù)處理與分析163.2.1 確定實驗因素的最優(yōu)值和最優(yōu)水平組合163.2.2 確定影響因素的主次順序173.3 YAG：Ce3+熒光粉的光譜分析1

11、83.3.1 YAG：Ce3+熒光粉的激發(fā)與發(fā)射光譜183.3.2 燃燒劑（尿素）用量對發(fā)光強度的影響193.3.3 摻雜比例與燃燒溫度對熒光粉激發(fā)強度的影響203.3.4 燃燒時間對熒光粉激發(fā)強度的影響21第4章 結論224.1 結論224.2 存在的不足與展望22參考文獻24致謝25引言我國擁有十分豐富的稀土資源，在現(xiàn)有的已查明世界稀土元素中，80%的稀土資源儲存在我國，并且種類十分齊全。而隨著技術水平的發(fā)展，我國的稀土產(chǎn)量也在穩(wěn)步提升。而我們大規(guī)模的生產(chǎn)稀土用來出口的同時，我國商業(yè)生產(chǎn)乃至軍工產(chǎn)業(yè)所急需的各種稀土材料及其后續(xù)研發(fā)產(chǎn)品卻嚴重依賴于進口。這足以體現(xiàn)我國在相關科研方面的薄弱，可

12、見有關稀土材料的深入研究與發(fā)展已經(jīng)迫在眉睫了。在稀土資源的領域，有關發(fā)光材料的合成制備及其應用尤為引人關注。稀土發(fā)光材料在信息、航天航空、能源、生物技術和環(huán)境科學等領域有著相當廣泛的應用前景，對全球信息高速公路的建設以及國家經(jīng)濟和科技的發(fā)展同樣有著舉足輕重的作用1。而伴隨著能源危機的不斷加劇，在照明領域使用稀土節(jié)能燈的優(yōu)勢也變得越來越明顯。我國對于燃燒法制備稀土發(fā)光材料的研究進行較早，相關制備技術也已經(jīng)逐步走在世界前列。因而本文選擇使用燃燒法制備YAG：Ce3+熒光粉，它作為制備白光LED的關鍵材料，其獨有的發(fā)光特性對白光LED的發(fā)光亮度和使用壽命都有著十分重要的影響2。白光LED是一種利用半

13、導體技術制造的冷光源，在其照明體系內(nèi)部不含水銀而且具有耗能少、體積小、使用壽命長的優(yōu)點。它作為一種第四代新型照明光源，在高效節(jié)能和環(huán)境生態(tài)保護方面體現(xiàn)出了十分突出的優(yōu)勢。綜上所述，目前對于燃燒法制備稀土發(fā)光材料的研究具有明顯且突出的意義，性能優(yōu)良的合成材料有助于我國將巨大地資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)樯虡I(yè)優(yōu)勢和軍事基礎。同時也希望廣大科研工作者能夠更加重視相關領域的研究發(fā)現(xiàn)，讓我國能在稀土材料的制備應用方面能夠占有一席之地。- 0 -第1章 燃燒法和稀土發(fā)光材料簡介1.1 稀土發(fā)光材料1.1.1 發(fā)光的基本原理發(fā)光是一種物體把所自身吸收的能量，不經(jīng)過熱的階段，直接轉(zhuǎn)化為特征輻射的現(xiàn)象。發(fā)光現(xiàn)象廣泛的存在于各

14、種各樣的材料中，在絕緣體、半導體乃至生物領域中都能觀察到不同形式的發(fā)光現(xiàn)象。不同的發(fā)光材料其發(fā)光方式也各不相同，主要發(fā)光類型有：陰極射線發(fā)光、光致發(fā)光、電致發(fā)光、輻射發(fā)光等3。1.1.2 稀土發(fā)光材料的分類及應用 稀土元素在發(fā)光材料中可以分別扮演激活劑和基質(zhì)材料兩種不同的角色。其中基質(zhì)指的是作為材料主體的化合物，而在基質(zhì)中作為發(fā)光中心而摻入的離子則稱為激活劑。稀土發(fā)光材料根據(jù)放光方式的不同也分為以下幾類1：（1） 陰極射線發(fā)光材料：通過陰極射線管中所產(chǎn)生的高能電子激光束激發(fā)從而產(chǎn)生發(fā)光。主要應用為彩電的熒光屏，例如其中紅色紅色熒光粉是激活態(tài)的含銪化合物，通常為YVO4:Eu，Y2O3:Eu，Y

15、2O2S:Eu。（2） 光致發(fā)光材料：在紅外光、可見光或者紫外光的激發(fā)下能夠出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象的材料。（3） 電致發(fā)光材料：是指通過依靠電場的激發(fā)而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象的材料，即將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的發(fā)光材料。（4） X射線稀土發(fā)光材料：X射線發(fā)光材料的發(fā)光原理與光致發(fā)光材料并不相同，但是其與陰極射線熒光粉相似。由于X射線具有高穿透性，所以當我們用它作為激發(fā)光源時，發(fā)出的射線光子能量非常大。（5） 其他稀土發(fā)光材料：除了上述四類外，還有許多發(fā)光材料屬于稀土發(fā)光材料，例如稀土轉(zhuǎn)換發(fā)光材料、稀土閃爍體、稀土熱釋發(fā)光材料等。1.2 發(fā)光材料的主要合成方法隨著發(fā)光材料的研發(fā)和應用的不斷深化，人們對發(fā)光材料的需求也越

16、來越大。在此基礎上，發(fā)現(xiàn)了許多有關發(fā)光材料的合成辦法。針對各種基質(zhì)的特點，相應的發(fā)展出了溶膠-凝膠法、燃燒合成法、微波加熱法、高溫固相法、水熱法、噴霧熱解法、化學沉淀法、電弧法等制備技術。以下介紹幾種發(fā)光材料的主要合成方法：1.2.1 溶膠凝膠法溶膠凝膠法是一種在低溫下合成材料的新式工藝，有關它最早的應用是在玻璃合成的領域，但近十多年來，溶膠-凝膠法一直是玻璃陶瓷等先進材料合成技術研究的熱點。所謂的溶膠凝膠法，其原理是用組成元素所需要的金屬無機或者有機化合物作為先導，經(jīng)過水解之后形成凝膠，將這些凝膠經(jīng)過烘干的過程后制成玻璃粉末并進一步成型，之后在較低溫度下進行燒結，進而形成玻璃陶瓷。溶膠凝膠法

17、也是一種應用前景十分廣泛的合成方法。利用溶膠一凝膠法制備發(fā)光材料時，需要提前把選好的基質(zhì)材料配制成溶液，再配以激活劑、助溶劑等的有機化合物溶液并混合均勻，溶液靜化數(shù)小時后可形成凝膠，再經(jīng)過經(jīng)干燥、灼燒等工序除去有機物后，在一定環(huán)境下燒結成產(chǎn)品，即可得到發(fā)光材料粉體。這種方法最大的優(yōu)點便是燒結溫度低、反應更容易控制，而且制備出的放光材料具有良好的均勻性。但是它也存在制作成本高、操作工序繁瑣、生產(chǎn)周期長等缺點。1.2.2 高溫固相法高溫固相法是制備發(fā)光材料的一種傳統(tǒng)方法，其應用范圍相對來說也更為廣泛。利用固相反應制備多晶粉末是以固態(tài)物質(zhì)作為初始原料，使固體顆粒直接參與化學反應，反應是在顆粒的界面進

18、行的。因而進行高溫固相反應所需的充要條件便是反應物能夠相互接觸，因此反應原料顆粒越細，也就會更加有利于固相反應的進行。因此將反應物進行研磨并充分的混合均勻是進行高溫固相反應所必須要進行的準備工作1。我們在利用固相反應法制備發(fā)光材料時往往加入適量的助溶劑，這是由于體系中存在氣相或液相能夠加速物質(zhì)的傳輸與接觸。利用固相反應法制備發(fā)光材料具有晶化程度高、發(fā)光顏色純、發(fā)光亮度高等特點，因此固相反應法是目前制備發(fā)光材料的主要方法之一。1.2.3 燃燒法燃燒合成法是指利用前驅(qū)體的燃燒合成所需材料的一種便捷方法，是近年來才應用于發(fā)光材料合成的新型合成方法4，也是本文進行實驗將要采取的方法。最早將燃燒法應用于

19、發(fā)光材料制備領域的是印度的Kingsley，1990年他首次發(fā)展了發(fā)光材料的燃燒法制備技術5。燃燒法合成發(fā)光材料的具體過程是：將反應物和助燃劑一起溶于水中，經(jīng)過充分攪拌均勻后，濃縮制備成為前驅(qū)物，將前驅(qū)物放進坩堝中并置于一定爐溫的高溫燃燒爐中加熱，當前驅(qū)物達到放熱反應的觸發(fā)溫度時，會以某種方式自燃，隨后反應由前面燃燒放出的熱量維持，燃燒所得產(chǎn)物即為我們所需合成產(chǎn)物1。燃燒法的主要反應原理是將反應所需原料制成相應的硝酸鹽，再加入相應比例的燃料作為還原劑，在一定的溫度下加熱幾分鐘后，發(fā)生劇烈的氧化還原反應，并且溢出大量氣體，進而燃燒，幾十秒鐘之后即可得到疏松的泡沫狀發(fā)光材料。燃燒法合成發(fā)光材料具有

20、以下幾個突出優(yōu)點：（1）完全依靠之前放熱反應所提供的熱量，自發(fā)產(chǎn)生的高溫可以使燃燒反應在一瞬間之內(nèi)。（2）燃燒法使制備所需求爐溫大大降低，合成時間縮短，制備工藝更為簡便。（3）產(chǎn)品質(zhì)量更加均勻、晶相更為單一并且節(jié)約能源、節(jié)約成本6。燃燒法合成發(fā)光材料與其他方法相比的最大優(yōu)點就是快速與節(jié)能。燃燒法合成的整個反應速度非?？?，反應效率也很高，整個反應過程僅僅只需要幾分鐘。由于燃燒合成反應是在實驗原料混合物內(nèi)部進行的，其反應產(chǎn)生的大量熱也就可以直接用于材料的合成，無需熱量從外部進行傳遞的過程，因此并不需要很高的爐溫條件1。1.3 YAG：Ce3+熒光粉1.3.1 YAG：Ce3+熒光粉簡介所謂YAG：

21、Ce3+熒光粉是指以釔鋁石榴石Y3Al5O12作為基質(zhì)，以Ce3+離子作為激活劑摻雜替換其中的Y3+離子得到的發(fā)光材料其化學式為Y3-XCeXAl5O12。對YAG熒光粉的研究起始于上世紀70年代，當時人們主要將其應用于有關飛點掃描儀的相關領域。1996年日本日亞化學公司研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)黃光的釔鋁石榴石熒光粉（YAG：Ce3+）加以配合藍光發(fā)光二極管產(chǎn)生的白光可用來照明，從此開創(chuàng)了白光LED時代。YAG：Ce3+熒光粉也從此以新的身份進入發(fā)光材料領域，進而引起了人們的極大關注7。我國自進入21世紀以來就設立了“半導體照明工程”的國家及計劃，主要從事有關LED發(fā)光和熒光粉等相關領域的研究。1.3.2

22、 YAG：Ce3+熒光粉的發(fā)光機理上文提到發(fā)光的基本原理是物體把吸收的能量，轉(zhuǎn)換為特征輻射。同樣稀土的發(fā)光也是由于稀土離子內(nèi)部的4f能級電子在不同的能級之間相互躍遷所產(chǎn)生的，其吸收和發(fā)射光譜的信息8，如圖2.1所示。稀土發(fā)光材料的發(fā)光性質(zhì)取決于其基質(zhì)與摻雜，Ce3+激活的YAG熒光粉的發(fā)光是由于5d 電子向4f躍遷引起的，5d電子因處于外裸露狀態(tài)，其躍遷能量也會隨著晶體的環(huán)境改變而發(fā)生相應的變化。因此我們可以通過改變基質(zhì)的組成使熒光粉的光譜峰值產(chǎn)生相應的變化9。YAG：Ce3+熒光粉的激發(fā)與發(fā)射光譜圖如圖1.2所示。由圖片可以看出，YAG：Ce3+熒光粉的激發(fā)峰在460 nm附近，與藍光發(fā)光二

23、極管的發(fā)射光譜可以匹配的非常好，而其發(fā)射峰值在570 nm附近，是一個半寬為120 nm的寬帶譜。因此，YAG：Ce3+熒光粉作為目前制備白光LED的主要材料，具有很好的應用發(fā)展前景9。圖1.1 稀土離子的能級和光譜項Fig 1.1 Energy level diagrams of the trivalent lanthanon圖1.2 YAG：Ce3+熒光粉的激發(fā)與發(fā)射光譜Fig 1.2 Excitation spectra and emission spectra1.3.3 白光LED的優(yōu)點現(xiàn)在我們所使用的照明工具主要以白熾燈和熒光燈為主。白熾燈存在發(fā)光效率低、壽命短等缺陷，而現(xiàn)階段所使用

24、的各種各樣的熒光燈也都含有水銀等有害物質(zhì)。白光LED的成功研制使得人們對照明工具節(jié)能、環(huán)保的高需求成為可能。與傳統(tǒng)的照明光源相比白光LED具有以下突出優(yōu)勢：（1） 能耗低，可見光轉(zhuǎn)換效率高，使用壽命長。（2） 安全、環(huán)保、無污染，不含有對人體有害物質(zhì)。（3） 光色純，光線質(zhì)量高且器件應用更為靈活10。 就目前來看白光LED已經(jīng)在大屏幕顯示、照明系統(tǒng)、通訊產(chǎn)品、交通信號燈和儀器儀表指示等領域得到了初步，且具有廣闊的應用前景，已經(jīng)逐步成為眾多研究機構和生產(chǎn)廠商爭相投資的熱點。1.4 稀土發(fā)光材料的研究現(xiàn)狀及問題稀土發(fā)光材料不僅具有十分優(yōu)越的光穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，還具有發(fā)光亮度高、余輝壽命

25、長、不含有害物質(zhì)等特點4，這也使得它成為國內(nèi)外研究的熱點。自20世紀90年代以來，許多有關光致發(fā)光材料的研究被媒體所報道。在發(fā)光材料的合成方法上，目前最為成熟的是高溫固相反應制備方法，而且已有的工業(yè)化生產(chǎn)均是采用高溫固相法，但是其反應溫度高、反應時間長、耗能高導致的高額成本同樣也是該方法難以克服的缺陷。為了實現(xiàn)更加簡單、快速、節(jié)能、高效、優(yōu)質(zhì)地合成稀土發(fā)光材料的目標，新的合成方法的研究已經(jīng)迫在眉睫。在新的合成方法的研究中，低溫燃燒合成法仍然是一種及有前景的合成制備方法，近年來受到廣范科研工作者的高度注重。我國將燃燒合成這一技術應用于發(fā)光材料的研究領域起步于20世紀90年代中期，幾乎與國外發(fā)達國

26、家同步進行。近年來國內(nèi)對燃燒法合成發(fā)光材料的研究雖多，并相繼取得了許多研究成果，但仍然存在一些迫切需要解決的問題。例如燃燒法燃燒法雖然在發(fā)光材料合成中表現(xiàn)出極大的前景，但其合成工藝仍然不夠成熟合成產(chǎn)物的發(fā)光性能也不太優(yōu)良等等，這些問題也成為使燃燒法得到廣泛應用的障礙。第二章 YAG：Ce3+熒光粉的合成制備2.1 反應基本原理本次實驗采用燃燒法制備YAG：Ce3+熒光粉，燃燒法的基本原理如前文所述是通過前驅(qū)體的燃燒放熱并維持后續(xù)反應進而獲得材料。本次實驗以尿素為燃燒劑，化學反應原理如下式所示： （2.1） （2.2）上式中的M2O3可以表示為（Y3/8Al5/8）2O3。所以有低溫燃燒合成YA

27、G的總反應方程式如下式： （2.3）燃燒法制備過程中以Ce3+作為激活劑替換作為基質(zhì)的YAG中的部分Y3+，進而制備得到YAG：Ce3+熒光粉，其化學式為Y3-XCeXAl5O12。2.2 實驗材料及實驗儀器2.2.1 實驗藥品本次論文實驗過程中用到的化學藥品及其相關信息如表2.1所示。表2.1 實驗原料清單Table 2.1 Experimental drugs藥品名稱化學式純度生產(chǎn)廠商氧化釔Y2O3分析純國藥集團化學試劑有限公司硝酸HNO3分析純國藥集團化學試劑有限公司硝酸鋁Al(NO3)3·9H2O分析純國藥集團化學試劑有限公司硝酸亞鈰Ce(N03)3·6H2O分析純

28、國藥集團化學試劑有限公司尿素CH4N2O分析純國藥集團化學試劑有限公司2.2.2 實驗設備本次論文實驗過程中所用到的實驗工具名稱及型號、數(shù)量信息如表2.2所示。表2.2 實驗工具Table 2.2 Experimental tools設備名稱型號數(shù)量燒杯250ml2移液管10ml1移液管0.5ml1玻璃棒1電子天平0.0001（精確）1藥匙4石棉手套2陶瓷坩堝6坩堝鉗大1說明：其他還需用到洗耳球、稱量紙、標簽等輔助工具。本次論文實驗過程中所用到的儀器名稱及型號、生產(chǎn)廠商信息如表2.3所示。表2.3 實驗儀器Table 2.3 Experimental apparatus儀器名稱型號生產(chǎn)廠商真空

29、干燥箱DZF-1上海躍進醫(yī)療器械廠磁力攪拌機DF-101S上海瑪尼儀器設備有限公司高溫燒結爐KSL-1700合肥科晶材料技術有限公司激光粒度儀BT9300H丹東百特儀器有限公司靜態(tài)氮吸附儀JW-BK112北京精微高博科學技術有限公司熒光光譜儀F4600日立高新技術公司 2.3 樣品制備2.3.1 樣品制備過程l 稱取適量高純度氧化釔用硝酸溶解，并加入硝酸鋁和適量純水配制一定量Y3+：Al3+為3：5的母液A。陽離子濃度為0.4mol/L。l 稱取適量硝酸亞鈰與硝酸鋁，加入適量純水，配制一定量Ce3+：Al3+為3：5的稀溶液B。陽離子濃度為0.04mol/L。l 分別用移液管取一定量A、B溶液

30、，并按照陽離子比例計算稱取一定量尿素，加入準備好的坩堝中。l 將藥品充分攪拌混勻后，使用坩堝鉗將坩堝送入已經(jīng)設定好溫度的馬弗爐內(nèi)進行燃燒并計時。l 隨著溫度的升高，溶液中的水分開始不斷蒸發(fā)，直至凝膠狀態(tài)，并發(fā)生自蔓延燃燒，放出能量使反應持續(xù)到完全結束。l 最終燃燒產(chǎn)物為泡沫狀固體，研磨后即得到淡黃色熒光粉。將制作好的樣品，放入準備好的袋中，稱量樣品質(zhì)量并記錄。2.3.2 實驗流程圖Y3+：Al3+(3:5)Al(NO3)3Ce(NO3)3Ce3+：Al3+(3:5)溶液Y2O3/HNO3Al(NO3)3尿素樣品充分攪拌燃燒圖2.1 工藝流程圖Fig 2.1 Technical flow cha

31、rt2.4 實驗方案本次實驗采取正交實驗設計方案，選取四因素三水平正交實驗法。其突出特點是用部分實驗來代替全面實驗，最后通過對實驗結果的對比分析，進而了解全面實驗情況。這樣做大大減少了全面實驗的工作量，降低了實驗繁瑣程度是實驗優(yōu)化的常用技術之一。實驗所選取的因素及水平變量如表2.4所示，其L9(34)正交實驗設計如表2.6所示。表2.4 因素水平表Table 2.4 Level of factor水平因素A燃燒劑比例B摻雜比例C燃燒溫度()D燃燒時間（min）11：1.0100:16001021：1.5100:26501531：2.0100:370020說明：1) 燃燒劑比例為金屬陽離子與尿素

32、的摩爾量之比，因為B液中陽離子極少，在試驗誤差允許范圍內(nèi)，只計算加入A液中的金屬陽離子量。2) 摻雜比例為所得樣品中釔離子與鈰離子的摩爾量只比。3) 考慮到實驗中有關數(shù)據(jù)的記錄計算方便，在正交設計實驗表中，我們將直接用A液B液的添加比例來表示摻雜比例，其對照表如表2.5所示。表2.5 數(shù)據(jù)對照表Table 2.5 Cross-references摻雜比例A液體積（ml）釔離子量(mol)B液體積（ml）鈰離子量（mol）100:115l2.25E-31.50.0225E-3100:2152.25E-33.00.0450E-3100:315l2.25E-34.50.0675E-3表2.6 L9(

33、34)正交實驗表Table 2.6 L9(34) Orthogonal array實驗號因素A燃燒劑比例B摻雜比例C燃燒溫度（）D燃燒時間（min）11:1.0(0.3604g)15ml:1.5ml6001021:1.0(0.3604g)15ml:3.0ml6501531:1.0(0.3604g)15ml:4.5ml7002041:1.5(0.5405g)15ml:1.5ml6502051:1.5(0.5405g)15ml:3.0ml7001061:1.5(0.5405g)15ml:4.5ml6001571:2.0(0.7207g)15ml:1.5ml7001581:2.0(0.7207g)1

34、5ml:3.0ml6502091:2.0(0.7207g)15ml:4.5ml60010第3章 實驗結果及性能測試分析3.1 實驗樣品的測試l 本次實驗使用燃燒法共制得9組樣品（如圖3.1所示），由圖可以看出所得樣品為淡黃色固體粉末。l 將樣品依次放入熒光光譜儀分別測試其發(fā)射光譜與激發(fā)光譜，所得峰位數(shù)據(jù)如表3.1所示。l 將所得數(shù)據(jù)利用origin繪圖軟件制圖，可得實驗樣品的發(fā)射光譜與激發(fā)光譜分別如圖3.2和圖3.3所示。l 利用極差分析法對實驗數(shù)據(jù)進行分析，排出各因素對實驗樣品影響的主次順序，找出實驗指標隨因子變化的規(guī)律和趨勢，以找到實驗的最優(yōu)化方案。l 對實驗樣品的激發(fā)光譜與發(fā)射光譜進行分

35、析，找出實驗過程中的紕漏和不足之處，用以之后實驗改進。圖3.1 實驗樣品Fig 3.1 Experimental sample表3.1 樣品實驗數(shù)據(jù)表Table 3.1 Data of experiment實驗號因素激發(fā)峰位（nm）強度(.a.u)發(fā)射峰位(nm)強度(.a.u)ABCD11:1.0100：160010454.2343.3724.012821:1.0100：265015446.8326.8724.281.1431:1.0100：370020446.0315724.066.4241:1.5100：165020483.61074722.4206.951:1.5100：2700104

36、77.0611.2713.2186.161:1.5100：360015485.41011722.8236.671:2.0)100：170015475.01570551.472681:2.0100：265020477.83930555.4309291:2.0100：360010476.81960543.21748由上表可以看出，第8組具有最強的發(fā)射強度和激發(fā)強度，是9組實驗樣品中試驗效果最好的。而這是從實驗中選擇出的最優(yōu)水平組合。但是正交實驗設計所選取的只是全面實驗34=81次實驗中的九分之一，在其余試驗中可能存在更優(yōu)的水平組合被漏掉。這就需要我們對實驗數(shù)據(jù)進行進一步的理論研究分析，確定第二組是

37、否為最優(yōu)水平。圖3.2 發(fā)射譜Fig 3.2 Emission spectra圖3.3 激發(fā)譜Fig 3.3 Excitation spectra3.2 實驗數(shù)據(jù)處理與分析3.2.1 確定實驗因素的最優(yōu)值和最優(yōu)水平組合實驗效果的好壞體現(xiàn)在實驗指標數(shù)據(jù)的好壞，往往實驗的偏差越小越好。把在每個水平上的重復實驗的各指標數(shù)據(jù)加起來，即對各水平的好幾次重復實驗的指標求和，稱作指標和，我們用Ki來表示（i表示水平順序號）或再取這個水平響應指標求和的平均值，稱作指標平均值，用ki表示。用Ki或ki就可以比較出這個因素的各水平實驗中，哪個是最優(yōu)水平了11。而我們所需要的最優(yōu)水平組合，就是各個因素中的最優(yōu)水平組

38、合到一起得到的?？紤]到發(fā)射譜峰位的誤差與試驗中可能出現(xiàn)的差錯，本次實驗以激發(fā)譜作為基礎數(shù)據(jù)進行正交實驗分析。第一列中燃燒劑比例（A）因素的三個水平的Ki和平均值ki為：K1A=343.3+326.8+315=985.1k1A=K1A/3=985.1/3=328.37K2A=1074+611.2+1011=2696.2k2A=K2A/3=2696.2/3=898.73K3A=1570+3930+1960=7460k3A=K3A/3=7460/3=2486.67其中1,2,3分別對應燃燒劑比例1：1.0，1：2.0，1：3.0。第二列中摻雜比例（B）因素的三個水平的Ki和平均值ki為：K1B=34

39、3.3+1074+1570=2987.3k1B=K1B/3=2987.3/3=995.77K2B=326.8+611.2+3930=4868k2B=K2B/3=4868/3=1622.67K3B=315+1011+1960=3286k3B=K3B/3=3286/3=1095.33其中1,2,3分別對應摻雜比例為100：1，100：2，100：3。第三列中燃燒溫度（C）因素的三個水平的Ki和平均值ki為：K1C=343.3+1011+1960=3314.3k1C=K1C/3=3314.1/3=1104.77K2C=326.8+1074+3930=5330.8k2C=K2C/3=5330.8/3=

40、1776.93K3C=315+611.2+1570=2496.2k3C=K3C/3=2496.2/3=832.07其中1,2,3分別對應的燃燒溫度為600，650，700。第四列中燃燒時間（D）因素的三個水平的Ki和平均值ki為：K1D=343.3+611.2+1960=2914.5k1D=K1D/3=2914.5/3=971.5K2D=326.8+1011+1570=2907.8k2D=K2D/3=2907.8/3=969.27K3D=315+1074+3930=5319k3D=K3D/3=5319/3=1773其中1,2,3分別對應燃燒時間為10min，15min，20min。對以上數(shù)據(jù)進

41、行分析，我們可以看出：在A因素（燃燒劑比例）的三個水平中指標kiA值最大的是k3A；在B因素（摻雜比例）的三個水平中指標kiB值最大的是k2B；在C因素（燃燒溫度）的三個水平中指標kic值最大的為k2C；在D因素（燃燒時間）的三個水平中指標kiD值最大的為k3D。所以，理論上的各條件的最優(yōu)值應該是燃燒劑比例為1：2.0，摻雜比例為100：2，燃燒溫度為650，燃燒時間為20min。最優(yōu)水平組合是以上四個最優(yōu)值的組合。因此第8組樣品所使用的制備條件，即為最優(yōu)制備方案。3.2.2 確定影響因素的主次順序在一個實驗中有M個因素，各因素在影響指標中所起的實際作用是各不相同的。在正交實驗方案中，我們可以

42、根據(jù)極差Rj的大小，來判斷各實驗因素對實驗指標的影響的主次順序。比較各R值的大小，R值越大的表示該因素對實驗指標的影響越大，因素更為重要11。極差R的定義：表示該實驗因素在其相應的取值范圍內(nèi)，所引起實驗指標變化的幅度大小。R=max（Ki）- min（Ki）我們根據(jù)上一節(jié)中的數(shù)據(jù)計算極差R：對于因素A（燃燒劑比例），R的值為：RA=K3A-K1A=7460-985.1=6474.9對于因素B（摻雜比例），R的值為：RB=K2B-K1B=4868-2987.3=1880.7對于因素C（燃燒溫度），R的值為：RC=K2C-K3C=5330.8-2490.2=2840.6對于因素D（燃燒時間），R的

43、值為：RD=K3D-K2D=5319-2907.8=2411.2對以上數(shù)據(jù)進行分析，我們可以得出在本次試驗中，對實驗指標影響最大的因素為燃燒劑的添加比例，其次為燃燒溫度和燃燒時間，而摻雜比例的影響最小。3.3 YAG：Ce3+熒光粉的光譜分析3.3.1 YAG：Ce3+熒光粉的激發(fā)與發(fā)射光譜本次實驗所得的9組YAG：Ce3+熒光粉中，發(fā)光最好的為第8組實驗樣品，其激發(fā)光譜和發(fā)射光譜分別如圖3.4和圖3.5所示。圖3.4 激發(fā)譜Fig 3.4 Excitation spectra圖3.5 發(fā)射譜Fig 3.5 Emission spectra我們可以在470nm處很好的檢測到其激發(fā)峰，其強度為3

44、930.a.u。可見該類熒光粉在藍光的照射下具有很高的激發(fā)強度。同時當我們用波長為477nm的光照射熒光粉時，可以得到Ce3+的發(fā)射光譜，其峰值在555.4nm處，樣品發(fā)黃光，與我們實驗之前所查數(shù)據(jù)非常吻合。3.3.2 燃燒劑（尿素）用量對發(fā)光強度的影響通過對圖3.2的分析，我們可以看出從第1組到第6組，均沒有明顯的發(fā)光現(xiàn)象（如圖3.6），而在第7、8、9組樣品的發(fā)射譜中，能清楚的觀察到550nm附近有很強的發(fā)射峰存在。在圖3.3中，我們同樣能看出隨著尿素使用量的增加激發(fā)峰的強度明顯變得愈來愈高?？梢缘贸?，當燃燒劑使用量不足時，YAG：Ce3+熒光粉不具備熒光效應。其原因可能是三價的鈰被氧化為

45、四價鈰，而四價鈰是不發(fā)光的。這也就致使我們所制備的熒光粉沒有熒光現(xiàn)象。同時也是由于發(fā)射光譜的問題，我們在上文中及以后采用樣品的激發(fā)強度進行正交實驗分析。我們在制備樣品時，之所以加入少許尿素，是考慮到尿素的大量使用所導致的劇烈燃燒反應，可能會對實驗設備等造成損壞，這也就導致在實驗過程中采取保守的方式計算尿素的用量。而實際結果確實如此，當我們使用1：2.0的尿素加入量時，會導致坩堝和托盤的損毀。而我們按照2.3式，計算尿素的理論用量應該為8：20，也就是大概在1：2.0左右，而實驗中所加尿素最大值才到1：2.0，另外考慮到尿素揮發(fā)損失等因素的影響，在實驗中所用尿素量是嚴重不足的。由于實驗條件的限制

46、，實驗只能進行到這一步，希望后續(xù)工作者在條件允許的情況下，在試驗過程中加入足量尿素，進一步探究燃燒劑用量對樣品發(fā)光性能的影響，進而驗證筆者的推理猜想。 圖3.6 發(fā)射譜Fig 3.6 Emission spectra3.3.3 摻雜比例與燃燒溫度對熒光粉激發(fā)強度的影響當摻雜比例分別為100：1，100：2，100：3時，所得激發(fā)強度實驗指標的kiB值分別為995.7、1622.67、1095.33，可以得出，摻雜比例與激發(fā)強度并沒有必然的線性關系。當摻雜比例為100：2時，實驗效果最為明顯（如圖3.7）。及在YAG：Ce3+熒光粉的化學式Y3-XCeXAl5O12中，當X取值為0.06時效果最

47、佳。同理通過對燃燒溫度的kiC值的分析，我們可以看出燃燒溫度與樣品激發(fā)強度同樣沒有必然的線性關系（如圖3.7），當燃燒溫度為650時，我們可以得到最優(yōu)的實驗結果。 3.3.4 燃燒時間對熒光粉激發(fā)強度的影響當燃燒時間分別為10min、15min、20min時，計算所得激發(fā)強度指標分別為971.5、969.27、1773?？梢姰斎紵龝r間為20min是激發(fā)強度會有明顯的加強（如圖3.7）。從理論上來說，燃燒法制備熒光粉試驗中，試劑的燃燒是一個急速反應的過程，實際燃燒過程大概只需要2-3min，而本實驗結果可以看出，實際反應完成之后的保溫時間同樣是一個非常重要的過程。燃燒完成后，保溫退火過程可以是樣

48、品中的水分進一步揮發(fā)有機物和硝酸根也會進行后續(xù)的緩慢燃燒，同時生成的氣體會使樣品體積膨脹，使粉末具有更好的分散性12。圖3.7 因素水平對激發(fā)強度的影響Fig 3.7 Level of factor第4章 結論4.1 結論本次實驗探究采用燃燒法，成功制備了YAG：Ce3+熒光粉樣品，并借助熒光光譜儀對其發(fā)射光譜與激發(fā)光譜進行了測定與分析。通過對熒光粉的激發(fā)譜與發(fā)射譜的正交實驗分析，對該熒光粉的制備方法及因素條件進行了探究并得到以下結論。1 以硝酸鋁、硝酸釔、硝酸鈰、尿素等藥劑為原料，能夠成功合成以Ce3+為激活劑，以YAG為基質(zhì)的熒光粉。2 YAG：Ce3+熒光粉的激發(fā)波長為470nm左右，即

49、用藍光激發(fā)。其發(fā)射光為波長在550nm附近的黃光。3 本次實驗通過正交實驗設計及實驗結果分析確定了最優(yōu)實驗條件為：燃燒劑比例1：2.0，摻雜比例為100：2，燃燒溫度為650，燃燒時間為20min。4 燃燒劑使用量確定：燃燒劑比例最好為1：2.0或者更高，增加燃燒劑的比例有助于增強熒光粉的發(fā)光效果。5 熒光粉激發(fā)強度并非隨著摻雜比例的增加而增加，二者沒有線性關系，當Ce3+所占比例為0.06時，可以得到最佳實驗結果。6 燃燒溫度對實驗樣品有一定的影響，但二者并非線性關系，本次實驗在650得到最優(yōu)實驗結果。7 燃燒時間對試驗樣品的激發(fā)譜和發(fā)射譜強度有一定影響，燃燒反應結束后，經(jīng)歷一定的保溫過程有助于樣品的后續(xù)反應燃燒，可以使熒光粉具有更好的發(fā)光效果。4.2 存在的不足與展望本次實驗中還存在許多不足有待完善，例如我們本應增加尿素的用量進行后續(xù)實驗，但由于實驗設備、實驗時間不足等原因無法繼續(xù)進行。實際上試驗中所使用陶瓷坩堝無法耐受燃燒