荧光分析

BaSiO

3

:Eu3+红色荧光粉的制备

一.实验目的

1、通过查阅文献，了解稀土离子掺杂荧光粉的发光原理

2、熟悉高温固相法制备BaSiO

3

:Eu3+红色荧光粉的过程

3、了解荧光粉体的相关性能指标，学习其表征手段

二、实验原理

三价稀土离子或三价过渡金属离子作为半导体杂质，与缺陷体形成复合体，在外界激发下，其内部产生辐射复合，发出特征光。

稀土离子最外层电子为5s2和5p6满壳层结构，形成很好的屏蔽作用，于是稀土离子的4f电子的发射基本上保持离子的特征，周围晶体场对稀土离子的作用很弱，发光起源于稀土能级间的跃迁，比较容易辨认。而过渡族离子并不存在4f电子层外的满层电子结构，所以3d电子跃迁受周围晶体场的影响较大，但考虑到晶体场的影响，仍可以找到发光跃迁与过渡金属离子能级间的关系。

本实验以BaCO

3、SiO

2

、Eu

2

O

3

为原料，用高温固相法制备BaSiO

3

:Eu3+荧光粉体，

其中稀土离子Eu3+作为发光杂质中心，预计发射红色光。

三、实验用品

实验药品：化学试剂（A.R.）、BaCO

3（A.R.）、SiO

2

、（A.R.）、Eu

2

O

3

（A.R.）

实验设备：电子分析天平，药匙，称量纸，研钵、氧化铝舟、1200o C高温度、F-4600荧光分光光度计。

四、实验步骤

1. 固体粉末的称量与研磨

计算出制备3.0g荧光粉所需要的BaCO

3，SiO

2

， Eu

2

O

3

各多少克。在分析天平称

量后在玛瑙研钵中进行研磨10分钟。

2. 样品的烧结。

将配置研磨好的粉体样品放入氧化铝坩埚或氧化铝舟中，在高温炉中进行煅烧。煅烧温度1100-1200度。（在烧结过程中应有专人看管高温炉）烧结结束如样品结块需对样品进行研磨成粉状。

3. 煅烧粉体或烧成样品荧光粉的的结构使用X射线衍射仪进行表征；

4. 发光性能的测试：可选择日立的F4600荧光分光光度计对荧光粉进行发光特性测试；

5. 利用LED点胶机将成品LED芯片和荧光粉进行组装。并进行点亮，观察荧光粉加入前后LED颜色的变化。

6. 结果分析与讨论，并撰写综合实验报告。

五、结果分析

样品的发射光谱及激发光谱如附图。

Eu2+离子的发光特性：

Eu2+离子具有4f65d1→4f75d0能级跃迁发射。由于4f电子对晶格环境并不敏感而5d电子处于没有屏蔽的外层裸露状态，受晶场的影响较显著，且容易与晶格发生强烈的耦合作用，致使4f5d杂化轨道能级劈裂，并强烈地与晶格声子产生耦合，从而导致了宽带吸收且在250~420nm范围内，荧光粉都能受到有效激发，而且吸收效率主要取决于4f65d到的吸收面积，这种4f65d1→4f7d0能级跃迁收基质晶场影响较大，通常呈现宽谱发射，发射强度大，而且发射峰位可调性大。

Eu3+浓度对发光性质的影响。

掺杂浓度是荧光粉制备所必须考虑的一个重要因素，低的掺杂浓度不能给出是够强的发光，

高的掺杂浓度一是可能导致浓度粹灭，二是造成材料的浪费，使成本提高。

图一为荧光粉的在374nm激发光激发下的发射光谱。其中在488nm、594nm、618nm处出现了峰值，594nm峰和618nm峰较尖，488nm峰较宽，且618nm峰值最大，594nm峰值略小于618峰，488nm峰值最小。查阅资料知道，Eu3+离子的能

级跃迁包括：5D

0～7F

1

特征峰→591nm，5D

～7F

2

特征峰→612nm、632nm，5D

～7F

3

特征峰→655nm，5D

0～7F

4

特征峰→683nm、696nm、712nm。据此分析，本次制得

的荧光粉在374nm激发光激发下，可发生5D

0～7F

1

和5D

～7F

2

能级跃迁，且其单色

性较好。

图二为荧光粉在618 nm光监控下的激发光谱。其在368nm处出现了峰值，峰较宽。据此分析，该荧光粉用368nm的光激发可达到较好的发光效果。

六、思考题

1. 简述荧光和磷光产生的根本原因和区别。

答：荧光，又作“萤光”，是指一种光致发光的冷发光现象。当某种常温物质经某种波长的入射光（通常是紫外线或X射线）照射，吸收光能后进入激发态，其发光是被激发的电子跳回价带的同时发射光子；磷光是一种缓慢发光的光致冷发光现象。当某种常温物质经某种波长的入射光（通常是紫外线或X射线）照射，吸收光能后进入激发态，当激发的电子从导带跳到施主能级并被捕获，，然后被捕获的电子再由施主能级跳到价带并发射光子。

区别：当入射光停止，荧光的发光立即停止，而磷光的发光持续存在一段时间。

2. 液相法和固相反应法是什么，其各自的优势在哪？

答：液相法是选择一种或多种合适的可溶性金属盐类，按所制备的材料组成计量配制成溶液，使各元素呈离子或分子态，再选择一种合适的沉淀剂或用蒸发、升华、水解等操作，使金属离子均匀沉淀或结晶出来，最后将沉淀或结晶的脱水或者加热分解而得到所需材料粉体。其优势在于使物料混合均匀，粒度均匀，粉体表面活性好，容易控制颗粒的形状与粒径，工业化生产成本低。

固相反应在固体材料的高温过程中是一个普遍的物理化学现象，广义地讲，凡是有固相参与的化学反应都可称为固相反应。例如固体的热分解、氧化以及固体与固体、固体与液体之间的化学反应等都属于固相反应范畴之内。但从狭义上，固相反应常指固体与固体间发生化学反应生成新的固体产物的过程其优势在于粉体颗粒无团聚、填充性好、成本低、产量大、制备工艺简单。

3. 什么是激发光谱和发射光谱？

激发光谱：就是反映一个物质受到外来激发光激发以后，反映出该物质对外来激发光的响应。因此，横坐标就是外来激发光的波长，即光源的波长。

发射光谱：物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。

4. 通常粉体制备有哪些方法？评述其各自的优缺点。

答：（1）物理方法：真空冷凝法、物理粉碎法、机械球磨法。

（2）化学方法：气相沉积法、沉淀法、水热合成法、溶胶凝胶法、微乳液法。

1. 物理方法：

（1）真空冷凝法：用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离