陈超然 等
Figure 6. Comparison of different concentrations of AlN:Tb and AlN standard cards 图6. 不同摩尔分数AlN:Tb与AlN的标准卡片的比较
Figure 7. Excitation spectrum at different concentrations 图7. 不同摩尔分数下的激发谱图
Figure 8. Emission spectrum at different concentrations 图8. 不同摩尔分数下的发射谱图
DOI: 10.12677/ms.2020.107063
526
材料科学
陈超然 等
所以,通过荧光光谱仪和XRD的分析可以看出不同煅烧温度对荧光粉粉体的影响。激发和发射峰强度随Tb3+掺杂摩尔分数的变化规律是相同的。激发和发射峰强度先随Tb3+的掺杂的摩尔分数增加而增强,在Tb3+摩尔分数为0.5%时达到最大值。在相对低的掺杂摩尔分数时,增加Tb3+浓度相当于增加AlN晶格中发光中心的数目。因此增加Tb3+浓度使得更多数目的Tb3+被激发,产生更强的发射。进一步增加Tb3+摩尔分数(大于0.5%),激发和发射强度反而降低,这是浓度猝灭导致的[10]。
3.3. 保温时间
掺杂0.05% Tb3+在通气速率40 ml/min,900℃下。探究不同保温时间对AlN:Tb3+的影响。从图9中可以看出,随着保温时间的逐步提高,发光材料中的铝粉衍射峰逐渐减少。所以,从材料生成的纯度来看合适的保温时间为3 h或4 h。
Figure 9. Comparison of AlN:0.5% Tb with different holding time and AlN standard card 图9. 不同保温时间的AlN:0.5% Tb与AlN的标准卡片的比较
图10所示掺杂0.05% Tb3+在通气速率40 ml/min,900℃保温下。不同保温时间的AlN:Tb3+激发光谱图。从图中可以看出激发峰随着保温时间增长光强逐渐增大。当保温时间为4 h时,荧光激发光谱的发射峰值出现到最高值。
Figure 10. Excitation spectrum for different holding times 图10. 不同保温时间激发光谱
DOI: 10.12677/ms.2020.107063
527
材料科学
陈超然 等
图11掺杂0.05% Tb3+在通气速率40 ml/min,900℃保温下。不同保温时间的AlN:Tb3+发射光谱图。从图中可以看出随着保温时间的增长,发射峰的强度却呈现逐渐增强的趋势。保温时间为2 h和3 h时,发光光谱强度相同,谱峰基本重合。当保温时间为4 h时,荧光发射光谱的发射峰值出现到最高值。
Figure 11. Emission spectrum for different holding times 图11. 不同保温时间的发射图谱
反应过程中,生成的物质AlN放热,热量的积累导致反应速率降低,不断通入的氮气可以减低累计的热量,使反应继续进行[15] [16]。显然在2 h处,XRD衍射峰还有Al单质的存在,在反应进行3 h之后,Al峰完全消失。
3.4. 通气速率的影响
掺杂0.05% Tb3+在900℃下保温3 h。探究不同通气速率对AlN:Tb3+的影响。从图12中可以看出,制备出的样品具有尖锐的衍射峰,随着通气速率的逐步提高,发光材料中的铝粉衍射峰逐渐减少。所以,XRD图谱显示出合适的通气速率为80 ml/min或100 ml/min。
Figure 12. Comparison of different aeration rates of AlN:0.5% Tb and AlN standard cards 图12. 不同通气速率AlN:0.5% Tb与AlN的标准卡片的比较
图13所示掺杂0.05% Tb3+在900℃下保温3 h。不同通气速率的AlN:0.5% Tb激发光谱图。从图中可以看出随着通气速率的增长,激发峰的强度却呈现逐渐增强的趋势。当通气速率达到80 ml/min、100
DOI: 10.12677/ms.2020.107063
528
材料科学
陈超然 等
ml/min时,荧光激发光谱的发射峰值出现到最高值。
图14、图15所示掺杂0.05% Tb3+在900℃下保温3 h。不同通气速率的AlN:0.5% Tb发射光谱图。从图中可以看出随着通气速率的增长,发射峰的强度却呈现逐渐增强的趋势。当通气速率达到80 ml/min、100 ml/min时,两个荧光光谱峰值大致相同,荧光发射光谱的发射峰值出现最高值。
Figure 13. Excitation spectrum of AlN:0.5% Tb at different aeration rates 图13. 不同通气速率下AlN:0.5% Tb的激发图谱
Figure 14. AlN:0.5% Tb emission spectrum at different aeration rates 图14. 不同通气速率下的AlN:0.5% Tb发射图谱
Figure 15. Magnified view of Figure 14 图15. 图14的放大图
DOI: 10.12677/ms.2020.107063
529
材料科学
陈超然 等
所以,通过荧光光谱仪和XRD的分析可以看出不同通气速率对荧光粉粉体的影响。镁粉和氮气反应生成Mg3N2,Mg3N2快速升华在铝粉中形成通道,便于铝粉和氮气反应生成AlN。实验结果和理论研究一致。掺杂Tb3+稀土离子的荧光强度显然和通气速率也有关联。通气速率越高,累计的热量快速减少,反应易于进行[16] [17]。生成AlN的相越纯,Al单质的杂峰越少,荧光强度越大。显然最佳通气速率为100 ml/min,所制备的得到的发光材料的样品的成分,发光强度最佳。但是考虑到成本问题和80 ml/min、100 ml/min荧光光谱相差不大。最佳通气速率为80 ml/min。
4. 结论
1) 添加剂镁粉和氯化铵,在管式炉温度升高过程中,转化为Mg3N2、HCl、NH3随氮气气氛排除管式炉。
2) 寻找出一种Tb3+掺杂AlN的低温实验方法。探索出生成AlN:Tb3+的最佳实验条件是掺杂的摩尔分数0.5%,在900℃下保温4小时,通气速率为80 ml/min。
基金项目
广东省自然科学基金项目(2015A030313645);五邑大学2018/2019年大学生创新创业训练计划项目(201811349071、201811349167、201811349168、201911349277);五邑大学2019年研究生教育创新计划项目(YJS-JGXM-18-01);五邑大学2018年教改项目(JX2018025);五邑大学2019年教改项目(JX2019004)。
参考文献
[1] Tang, J.Y., Chen, J.H., Hao, L.Y., et al. (2011) Green Eu2+-Doped Ba3Si6O12N2 Phosphor for White Light-Emitting Diodes: Synthesis, Characterization and Theoretical Simulation. Journal of Luminescence, 131, 1101-1106. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2011.02.007 [2] Choi, S. and Kim, J. (2013) Thermal Conductivity of Epoxy Composites with a Binary-Particle System of Aluminum
Oxide and Aluminum Nitride Fillers. Composites Part B: Engineering, 51, 140-147. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2013.03.002 [3] Zhou, Y., Wang, H., Wang, L., et al. (2012) Fabrication and Characterization of Aluminum Nitride Polymer Matrix
Composites with High Thermal Conductivity and Low Dielectric Constant for Electronic Packaging. Materials Science and Engineering B—Advanced Functional Solid-State Materials, 177, 892-896. [4] Xu, X., Tang, J.Y., Nishimura, T., et al. (2011) Synthesis of Ca-α-SiAlON Phosphors by a Mechanochemical Activa-tion Route. Acta Materialia, 59, 1570-1576. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.11.021 [5] Xu, X., Cai, C., Hao, L., et al. (2009) The Photoluminescence of Ce-Doped Lu4Si2O7N2 Green Phosphors. Materials
Chemistry and Physics, 118, 270-272. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2009.07.069 [6] Du, X., Qin, M., Rauf, A., et al. (2008) Structure and Properties of AlN Ceramics Prepared with Spark Plasma Sinter-ing of Ultra-Fine Powders. Materials Science and Engineering: A, 496, 269-272. https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.05.027 [7] Taniyasu, Y., Kasu, M. and Makimoto, T. (2006) An Aluminium Nitride Light-Emitting Diode with a Wavelength of
210 Nanometres. Nature, 441, 325. https://doi.org/10.1038/nature04760 [8] Carnevale, S.D., Kent, T.F., Phillips, P.J., et al. (2012) Polarization-Induced PN Diodes in Wide-Band-Gap Nanowires
with Ultraviolet Electroluminescence. Nano Letters, 12, 915-920. https://doi.org/10.1021/nl203982p [9] Wang, W., Lei, X., Ye, Z., et al. (2017) The Luminescent Properties and Latent Fingerprint Identification Application
of AlN: Ce, Tb Phosphors. Journal of Alloys and Compounds, 705, 253-261. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.02.121 [10] Hu, W.W., Zhu, Q.Q., Hao, L.Y., et al. (2014) Luminescence Properties and Energy Transfer in AlN: Ce3+, Tb3+
Phosphors. Materials Research Bulletin, 51, 224-227. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2013.12.019 [11] Chattopadhyay, S., Shi, S.C., Lan, Z.H., et al. (2005) Molecular Sensing with Ultrafine Silver Crystals on Hexagonal
Aluminum Nitride Nanorod Templates. Journal of the American Chemical Society, 127, 2820-2821. https://doi.org/10.1021/ja042954l [12] Benz, F., Yang, M., Weng, Y., et al. (2012) Luminescence Intensity and Dopant Concentration in AlN:Tb. Journal of
DOI: 10.12677/ms.2020.107063
530
材料科学
陈超然 等
Luminescence, 132, 1493-1496. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2012.01.047
[13] Fan, T., Zhang, C., Chen, J., et al. (2009) Thermodynamics and Kinetics to Alloying Addition on In-Situ AlN/Mg
Composites Synthesis via Displacement Reactions in Liquid Mg Melt. Metallurgical and Materials Transactions A, 40, 2743. https://doi.org/10.1007/s11661-009-9966-2 [14] 王金龙, 王辉林. 对氮化镁制备及性质的再探讨[J]. 化学教育(中英文), 2009, 30(9): 68-69.
[15] 时文中, 褚意新, 左春山, 等. 氯化铵焙烧氯化氧化钕及其动力学研究[J]. 河南科学, 2016, 34(10): 1657-1661. [16] Komeya, K., Matsukaze, N. and Meguro, T. (1993) Synthesis of AlN by Direct Nitridation of Al Alloys. Journal of the
Ceramic Society of Japan, 101, 1319-1323. https://doi.org/10.2109/jcersj.101.1319 [17] 方智威. 基于碳化铝制备氮化铝陶瓷粉体[D]: [硕士学位论文]. 武汉: 华中科技大学, 2017.
DOI: 10.12677/ms.2020.107063
531
材料科学
基于低温固相法AlN Tb荧光纳米材料的制备研究 - 图文



