[发明专利]稀土掺杂纳米氧化锆上转换荧光粉的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种稀土掺杂纳米发光材料的制备方法。 

背景技术

由于激光具有很高的能量密度，极好的准直性及单色性，所以自从激光在1960年被发明至今，一直引起人们的广泛关注，利用不同材料、不同方式制作的高性能激光器一直是人们研究的重点。目前利用稀土作为激活离子实现激光输出的技术已经比较成熟，包括Er、Nd等离子掺杂LiYF₄、NaYF₄、YAlO₃和Y₃Al₅O₁₂等晶体发射的1000nm附近，1310nm附近和1550nm附近的激光输出。当前稀土激光器的发展有两个大体方向：一是向对人眼安全且在大气及光纤中损耗更少的红外长波领域发展；一是向能量更高的短波领域发展。其中，红外长波的研究属于起步阶段，各种检测设备成本很高，极大的限制了该方向的发展。而另一方面，由于目前近红外的半导体激光器性能相当稳定，出光功率较高，成本也相对较低，所以利用已经比较成熟的近红外的半导体激光激发稀土掺杂材料产生可见光的方法具有很大潜力。由于这种方法是利用近红外的低能量光子来激发可见波段的高能量光子，所以称为上转换(upconversion)发光。 

上转换现象由于在短波全固态激光器、信息处理、立体显示、荧光标签等领域具有重大的应用潜力，所以近几十年来引起了各国研究者的广泛关注。稀土离子，尤其是Er离子具有辐射波段丰富、激发态能级寿命长等优点，很适于作为上转换荧光材料的发光中心。 

稀土离子掺杂材料上转换荧光的各种应用都需要较高的发光效率作为基础，而目前各种稀土掺杂发光材料的效率都不是很高，极大限制了上转换荧光的实用化。所以稀土离子掺杂材料上转换发光的一个主要研究方向就是如何提高材料的上转换效率。 

在所有影响上转换效率的因素中，基质的选择是最重要的因素之一。实际上，相当多的材料都可以作为基质实现上转换发光现象，但其中很多材料由于自身的声子能量较高，从而其上转换效率较低，实用价值不大。 

稀土掺杂纳米晶体粉末基质由于同时具有稀土材料和纳米材料的优势，引起人们的广泛关注，常见的粉末基质以氧化物为主，有ZnO、Gd₂O₃、ZrO₂、Y₂O₃、Lu₂O₃和TiO₂等。其中二氧化锆由于具有矿藏丰富、耐热、耐腐蚀、可塑性强、声子能量低(约470cm^-1)等优点，使其成为非常有潜力的上转换基质材料。 

此外，稀土离子的上转换强度通常随掺杂浓度的增加而增大。但是当掺杂浓度过大时，由于稀土离子间的距离缩短，相互作用增强，导致处于高能级的稀土离子很容易将其能量通 过表面缺陷传递给基质材料，从而降低荧光发射强度，这就是浓度猝灭现象。为了实现高效的上转换辐射，如何在较高掺杂浓度的条件下减弱浓度猝灭效应成为人们关注的热点。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效降低稀土离子浓度猝灭效应，从而能够通过增加稀土离子的掺杂浓度来提升荧光效率的稀土掺杂纳米氧化锆上转换荧光粉的制备方法。 

本发明的目的是这样实现的：按照Er(NO₃)₃与Zr(NO₃)₄的摩尔比为0.05-0.2∶1的比例将Zr(NO₃)₄和Zr(NO₃)₃分别溶解于去离子水中，搅拌至澄清得到混合溶液，加入与所述混合溶液中阳离子比例为4∶1的柠檬酸，再加入氨水调节溶液pH值至6.5-7.5，搅拌形成溶胶；将所述溶胶在130℃下干燥形成干凝胶，再于800℃下烧结得到白色的前驱荧光粉，最后将前驱荧光粉于1100℃-1400℃条件下煅烧得到稀土掺杂纳米氧化锆上转换荧光粉。 

本发明的实现原理为：根据稀土离子发光理论，稀土离子发射的荧光强度与其表面缺陷的多少密切相关，表面缺陷越少，荧光效率就越高。通过将常规方法合成的稀土掺杂上转换荧光粉二次煅烧，可以有效减少纳米晶的表面缺陷，具体来讲，经过二次高温煅烧能够更加有效的去除纳米晶表面吸附的O-H键和C-O键基团，此外纳米晶的晶粒尺寸也随着烧结温度的升高而增大，这也相当于降低了纳米晶的比表面积，从而减少纳米晶的表面缺陷。