材料物理综合实验报告实验题目：发光材料的制备和特性研究物理与能源学院材料物理专业___2011___级____1___班学号__106072011274______姓名__赖婷婷___________指导老师:__林林老师______发光材料的制备和特性研究（实验报告）摘要：本实验用高温固相法制备钼酸钇镝，通过紫外分光光度计对材料的激发强度和发射强度进行测试，结果发现钼酸钇镝在波长为353nm时激发峰最强，在波长为383.5nm时的发射峰最强引言：发光是物质将某种方式吸收的能量转化为光辐射的过程，是热辐射之外的另一种辐射。
要确定某一种材料是否发光并没有明显的界限，一般激发条件下不发光的材料在非常强的能量激发下有微弱的发光。
有些材料需要提高纯度，发光才能变强，有些材料则需要掺入一定量的激活剂才能发光发光材料在信息、能源、材料、航天航空、生物技术和环境科学等领域有着广泛的应用前景，对全球信息高速公路的建设及国家经济和科技的发展有着举足轻重的推动作用。
稀土离子掺杂材料的上转换发光，是一种吸收两个或两个以上的低能光子发射出一个高能光子的发光过程。
掺杂在晶体或玻璃态物质基质中的稀土离子，可以通过激发态吸收和各种能量传递过程被激发至高于泵浦能量的能级而向下跃迁产生上转换发射。
发光材料种类和应用对固体发光材料而言，发光材料主要包括无机材料和有机材料两大类，根据其被激发的方式不同可以具体划分为以下几种类型:稀土发光材料的发光原理：三价稀土离子：La3+： [Xe] 4f0------Lu3+：[Xe]4f14 [Xe]=[Kr]4d105s25p6，三价稀土离子，4f电子能量最高。
三价稀土离子的发射和激发绝大多数是由4f电子在f组态内不同能级之间的跃迁而产生的，称为4f－4f跃迁,4f－4f跃迁种类丰富，谱线很多。
4f电子能量高于5s和5p，但比5s和5p电子离核近，处于内层。
5s25p6形成了良好的电屏蔽，三价稀土离子掺入晶体时，在晶体中比较独，4f能级位置受晶体的影响不大，在所有晶体中都差不多在+3价稀土离子中，Y3+和La3+无4f电子，Lu3+的4f亚层为全充满的，都具有密闭的壳层。
因此是光学惰性的，适用于作基质材料。
从Ce3+到Yb3+，电子依次填充在4f轨道，从f 1 到 f 13，其电子层中都具有未成对电子，其跃迁可产生发光。
这些离子适于作为发光材料的激活离子。
Dieke图：三价稀土离子在LaCl3晶体中的4f电子能级图固体发光原理发光的定义是物质受外界激发而吸收能量，然后跃迁至激发态（非稳定态），在返回到低能态的过程中，以光辐射的形式释放能量。
如果辐射的光为可见光，则称为固体发光。
在各种类型激发作用下能量发光的物质称为发光材料。
一般的说，发光材料是由两部分组成：激活离子（发光中心的掺杂离子）以及基质（材料的主体）。
发光是和晶体内部的能量传递、缺陷结构、载流子迁移、能带结构等微观过程有关的一种宏观现象。
故固体发光过程下图所示固体发光原理其中 M 表示晶体基质，在基质 M 中掺入两种离子 A 和 S。
当基质晶格 M 吸收激发能后，把能量传递给掺杂的外来离子，使其跃迁至激发态，当激活离子返回到基态时可能有三种过程发生：(1) 以热的形式释放激发能量，称为“无辐射弛豫”，也叫荧光猝灭；(2) 以光辐射形式释放能量，此为“发光”现象； (3) S 离子将吸收的激发能传递给离子 A，即 S 吸收的全部或部分激发能通过 A 离子释放。
称为“敏化发光”。
在第三种过程中，我们一般地将 A 离子叫做激活剂，S 为敏化剂。
稀土离子是常用的激活离子，在周期表中的位置如下图。
荧光粉的发光原理那不同的发光材料有不同的发光过程和机制，下面我们有必要简述一下荧光粉的发光原理：(1)发光中心指激活剂或基质晶格，从外部吸收能量。
一般高能激发是基质晶格吸收能量，再传递给发光离子，发光离子从基态 E0被激发到激发态能级 E2。
激活剂被直接激发多出现在紫外或可见辐射。
(2) 被激发到高激发态的离子以热(无辐射)的形式释放一部分能量，达到亚稳态能级 E1，然后电子从能级 E1跃迁至基态 E0，以发光(辐射)的形式释放激发能。
荧光粉的发光原理制作工艺：作为光电产业的重要材料，金属钼酸盐在光致发光、光导纤维、闪烁器、微波器件、湿度传感器、催化剂等方面的应用十分广泛。
其中，具有白钨矿结构的钼酸盐材料的研究最为广泛。
在发光材料应用方面，大多数此类钼酸盐都是重要的闪烁体或 X 射线发光体。
另外，钼酸根具有特殊性质, 钼离子被 4个氧离子包围，位于四面体的对称中心，具有很好的稳定性，在紫外光作用下，钼酸根能发出蓝色至黄色光谱线，并传递给掺杂在钼酸盐基体中的稀土离子，因而，掺杂稀土钼酸盐荧光粉被认为是一种很有前途的 LED 转换用荧光粉。
目前发光材料的主要合成方法有:高温固相法，化学沉淀法，水热合成法，溶胶一凝胶法，微波合成法，燃烧合成法高温固相法高温固相反应法是发光材料的一种传统的合成方法。
固相反应通常取决于材料的晶体结构及其缺陷结构,而不仅是成分的固有反应性。
在固态材料中发生的每一种传质现象和反应过程均与晶格的各种缺陷有关。
通常固相中的各类缺陷愈多,则其相应的传质能力就愈强,因而与传质能力有关的固相反应速率也就愈大"固相燃烧法合成稀土钥酸盐发光材料及发光性质研究固相反应的充要条件是反应物必须相互接触,即反应是通过颗粒界面进行的。
反应物颗粒越细,其比表面积越大,反应物颗粒之间的接触面积也就越大,有利于固相反应的进行。
因此,将反应物研磨并充分混合均匀,可增大反应物之间的接触面积,使原子或离子的扩散输运比较容易进行,以增大反应速率。
另外,一些外部因素,如温度、压力、添加剂、射线的辐照等,也是影响固相反应的重要因素。
固相反应通常包括以下步骤:(l)固体界面如原子或离子的跨过界面的扩散；(2)原子规模的化学反应；(3)新相成核；(4)通过固体的输运及新相的长大。
决定固相反应性的两个重要因素是成核和扩散速度。
如果产物和反应物之间存在结构类似性,则成核容易进行。
扩散与固相内部的缺陷、界面形貌、原子或离子的大小及其扩散系数有关。
此外,某些添加剂的存在可能影响固相反应的速率。
在高温固相反应中往往还需要控制一定的反应气氛,有些反应物在不同的反应气氛中会生成不同的产物,因此要想获得满意的某种产物,就一定要控制好反应气氛。
溶胶一凝胶法产生溶胶一凝胶过程的机制不外乎三种类型:无机聚合型、传统胶体型和络合物型。
这三种类型的溶胶一凝胶法制备各种材料的一般特点可归结为以下几条:l)产品均匀性好,尤其是多组分制品,其均匀度可以达到分子或原子尺度;2)产品纯度高,由于可以使用高纯度原料,溶剂在处理过程中容易去除;3)烧结温度比传统固相反应法低200一500e,这样可以节约能源,另外避免由于烧结温度高而从反应器中引入杂质;4)反应过程及凝胶的微观结构都可以控制,可以大大减少支反应，分相,并可避免结晶;5)从同一原料出发,改变工艺过程,可以获得不同形态的制品；用溶胶一凝胶法制备发光材料的一般特点是:l)降低发光粉的烧结温度,无论是开始结晶温度还是结晶完全温度,溶胶一凝胶法都比固相法来的低。
这一方面可以节省能源,另一方面可以避免由于高温烧结而从反应器等外部引入有害杂质,从而提高发光粉的发光性能；2)使激活离子能够比较均匀的分布在基质晶格中,有利于找到发光体发光最强时激活离子的最低浓度；3)使带状发射峰变窄,同时有利于提高发光体相对发射强度及相对量子效率。
溶胶凝胶法,与高温固相法相比，容易引入杂质，合成产物的发光性能较差，且有时较难制得反应操作也较复杂且周期长。
本实验是用高温固相法制备的钼酸钇镝稀土发光材料。
仪器和设备分析天平:型号为ABZO4N,精确度为0.0001克；玛瑙研钵:用来混合研磨原料；坩埚:用来盛装混合物,以便将原料放进高温炉内点燃；KSL-1100X箱式电阻炉:高温处理。
性能测试仪器设备X射线衍射仪：进行样品组织结构分析；扫描电子显微镜:进行样品的形貌分析；荧光分光光度计:测量样品的上转换发光光谱；激光器:作为激发光源；激光功率能量计:激光功率能量计测试激发光功率。
药品四水合钼酸铵分析纯、氧化钇99.99%、氧化镝99.99%、实验过程：首先按比例准确称量各种反应物,将其在洗净的玛瑙研钵中研磨,混合均匀后将前驱物放入箱式炉中,试验工艺流程可以分为三个相对独立的部分,第一部分是前驱物的制备,第二部分是样品的高温合成,第三部分是样品的性能测试分析。
前驱物的制备1)首先按比例，通过方程式计算出所需的材料氧化钇99.99%需0.011g, 氧化镝99.99%需0.671g, 四水合钼酸铵分析纯需1.5890g，准确用电子天平称量各种反应物。
2)将称量的原料倒入洗净的玛瑙研钵中,加酒精研磨约30分钟混合物为凝胶状"3)将混合物快速转移到坩埚中,即得到可用于合成的前驱物"样品的高温合成先将高温电阻炉加热到燃烧反应的引发温度,然后将装有前驱物的坩埚快速放进箱式炉中样品性能测试分析将所得到的钼酸钇镝粉末用紫外分光光度计测量稀土材料的透射率和反射率。
实验数据分析：激发波长扫描仪器条件：InstrumentparametersMeasurement type: Wavelength scanScan mode: Excitation Data mode: Fluorescence EM WL: 575.0 nmEX Start WL: 300.0 nmEX End WL: 540.0 nm Scan speed: 300 nm/min Delay: 0.0 sEX Slit: 2.5 nmEM Slit: 2.5 nmPMT Voltage: 400 V Response: 0.4 s从图中可以看出，钼酸钇镝在波长为353nm时激发峰最强，363nm时激发峰次强，接下来的较强峰依次为389nm,453.5nm发射波长扫描仪器条件：InstrumentparametersMeasurement type: Wavelength scanScan mode: Emission Data mode: Fluorescence EX WL: 354.0 nmEM StartWL:380.0 nmEM End WL: 690.0 nm Scan speed: 300 nm/min Delay: 0.0 sEX Slit: 2.5 nmEM Slit: 2.5 nmPMT Voltage: 400 V Response: 0.4 s Correctedspectra:Off从从图中可以看出，钼酸钇镝在波长为383.5nm时的发射峰最强，还有比较明显的发射峰为482nm,和574.5nm思考题1.三价稀土离子有什么共同的发光特性？如何从其电子组态解释？自由的三价稀土离子4f-4f跃迁很弱掺入晶体时，选择定则被部分解除， 4f-4f跃迁较强,因为只是部分解除，所以呈现尖锐的线谱，荧光寿命长。