一种宽带敏化上转换发光材料及其制备方法
阅读说明:本技术 一种宽带敏化上转换发光材料及其制备方法 (Broadband-sensitized up-conversion luminescent material and preparation method thereof ) 是由 邵起越 刘彦奇 徐小雪 董岩 蒋建清 于 2020-04-30 设计创作,主要内容包括:本发明公开一种宽带敏化上转换发光材料及其制备方法,该上转换发光材料为以过渡金属离子Cr<Sup>3+</Sup>为敏化剂、稀土离子Er<Sup>3+</Sup>为激活剂的Cr<Sup>3+</Sup>、Er<Sup>3+</Sup>共掺杂硅酸盐荧光粉材料,其化学表达式为RX<Sub>1-y-z</Sub>Si<Sub>2</Sub>O<Sub>6</Sub>:yCr<Sup>3+</Sup>,zEr<Sup>3+</Sup>,其中,R为金属Li、Na、K中的至少一种,X为金属In、Al、Lu、Sc中的至少一种,且0.01≤y≤0.1,0.01≤z≤0.07。通过使用过渡族金属离子Cr<Sup>3+</Sup>作为稀土上转换发光敏化剂,可在600~800nm的激光有效激发,实现上转换绿光发射。该上转换发光材料的制备方法包括如下步骤:(1)以R的含氧化合物、X的氧化物、SiO<Sub>2</Sub>、Cr<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>以及Er<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>为原料,根据上转换发光材料的化学组成及化学计量比称取相应原料;(2)将原料混合均匀灼烧,得到焙烧产物;(3)将焙烧产物经后处理,即得宽带敏化上转换发光材料。(The invention discloses a broadband sensitization up-conversion luminescent material and a preparation method thereof, wherein the up-conversion luminescent material is prepared by taking transition metal ions Cr 3+ Is a sensitizer and rare earth ion Er 3+ Cr as activator 3+ 、Er 3+ Co-doped silicate fluorescent powder material with chemical expression of RX 1‑y‑z Si 2 O 6 :yCr 3+ ,zEr 3+ Wherein R is at least one of metals L i, Na and K, X is at least one of metals In, Al, L u and Sc, y is more than or equal to 0.01 and less than or equal to 0.1, and z is more than or equal to 0.01 and less than or equal to 0.07, through the use of transition metal ions Cr 3+ As a rare earth up-conversion luminescence sensitizer, the rare earth up-conversion luminescence sensitizer can be effectively excited by laser of 600-800 nm to realize up-conversion green light emission. The preparation method of the up-conversion luminescent material comprises the following steps: (1) with oxygen-containing compounds of R, oxides of X, SiO 2 、Cr 2 O 3 And Er 2 O 3 Weighing corresponding raw materials according to the chemical composition and the stoichiometric ratio of the up-conversion luminescent material; (2) mixing the raw materialsUniformly firing to obtain a roasted product; (3) and carrying out post-treatment on the roasted product to obtain the broadband-sensitized up-conversion luminescent material.)
技术领域
本发明涉及一种宽带敏化上转换发光材料及其制备方法,属于发光材料技术领域。
背景技术
上转换发光材料是一种可以吸收低能量光子,发射高能量光子的发光材料。基于其特殊的光学性质,上转换荧光粉材料在生物医学、温度传感、光伏电池、安全防伪等领域具有广阔的应用前景。上转换发光材料一般由光学惰性的基质材料、敏化剂和激活剂组成;其中敏化剂决定发光材料对激发光的吸收率,而且,由于上转换发光的非线性过程本质决定上转换发光效率,故敏化剂成为决定上转换发光材料性能的关键因素之一。
现有上转换发光材料的敏化剂主要为稀土离子Yb3+,但由于敏化剂Yb3+的近红外吸收带较窄且吸收强度较弱,使得上转换荧光粉材料的发光强度普遍偏低。因此,寻找具有宽吸收带且吸收率高的新型上转换荧光粉,成为开发高发光强度上转换材料的重要方向。
发明内容
发明目的:针对传统上转换发光材料以为Yb3+敏化剂近红外吸收带较窄、且吸收强度较弱的问题,本发明提供一种宽带敏化上转换发光材料,以过渡族金属离子Cr3+为敏化剂,可在600~800nm的激光有效激发,实现上转换绿光发射;另外,本发明还提供了一种该上转换发光材料的制备方法。
技术方案:本发明的一种宽带敏化上转换发光材料,为以过渡金属离子Cr3+为敏化剂、稀土离子Er3+为激活剂的Cr3+、Er3+共掺杂硅酸盐荧光粉材料,其化学表达式为RX1-y- zSi2O6:yCr3+,zEr3+,其中,R为金属Li、Na、K中的至少一种,X为金属In、Al、Lu、Sc中的至少一种,且0.01≤y≤0.1,0.01≤z≤0.07。
上转换发光材料的化学表达式中,y的值优选为0.04≤y≤0.1,最好为0.04≤y≤0.06;z的值优选为0.05≤z≤0.07;上述优选取值的上转换发光材料的发光强度明显更优。
本发明所述的一种宽带敏化上转换发光材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)以R的含氧化合物、X的氧化物、SiO2、Cr2O3以及Er2O3为原料,根据上转换发光材料的化学组成及化学计量比称取相应原料;
(2)将步骤(1)称取的原料混合均匀灼烧,得到焙烧产物;
(3)将步骤(2)得到的焙烧产物经后处理,即得宽带敏化上转换发光材料。
优选的,步骤(1)中,称取过量的SiO2和R的含氧化合物,其中,SiO2的过量百分比为0~100%,R的含氧化合物的过量百分比为0~100%。
上述步骤(2)中,灼烧条件优选为:灼烧温度800℃~1500℃,灼烧时间1h~40h,灼烧次数至少一次。灼烧气氛不限,优选可为空气、氧气、氮气或者氩气中的至少一种。
步骤(2)中,可将称取的原料直接混合均匀灼烧,或者添加助熔剂后混合均匀灼烧。添加助熔剂可降低烧成温度,改进结晶质量,从而增强发光强度。助熔剂可为碱金属卤化物、碱土金属卤化物、碱金属碳酸盐、碱金属硫酸盐、铵的卤化物、铝的卤化物或(NH4)2SO4中的一种或者多种。较优的,助熔剂的用量为步骤(1)称取的原料总重量的0.5~8%。
上述步骤(3)中,后处理可包括:将焙烧产物研磨成粉末,过200~400目筛后,洗涤,离心所得沉淀烘干。离心后所得沉淀的烘干温度优选为60~150℃。
发明原理:本发明采用过渡金属离子Cr3+作为敏化剂,一方面,Cr3+光谱具有宽吸收带,宽发射带的特征,弥补了稀土离子吸收窄的缺陷,且Cr3+辐射跃迁几率与稀土离子相比更高,吸收强度高;另一方面,Cr3+的发射带主要处于红光区和近红外区,可与稀土离子上转换发光中心的吸收带重合,实现有效的能量传递。因此,通过使用过渡族金属离子Cr3+作为稀土上转换发光敏化剂,利用宽带敏化的方式可使稀土离子激活剂实现有效的上转换发光。
有益效果:与现有技术相比,本发明的优点在于:(1)本发明的上转换发光材料性能稳定,以过渡族金属离子Cr3+作为敏化剂,与传统上转换发光材料采用稀土离子Yb3+作为敏化剂相比,实现了宽带敏化上转换发光,可在600~800nm的激光有效激发,实现上转换绿光发射,拓宽了激发带,对激发光吸收率高,上转换发光良好;而且,与稀土金属相比,金属Cr的原料成本较低;(2)本发明的上转换发光材料的制备方法操作简单、无污染、成本低,易实现工业化生产应用。
附图说明
图1为实施例1制得的上转换发光材料在690nm激光激发下的上转换发光光谱图;
图2为实施例2制得的上转换发光材料在690nm激光激发下的上转换发光光谱图;
图3为实施例3制得的上转换发光材料在690nm激光激发下的上转换发光光谱图;
图4为实施例4制得的上转换发光材料在690nm激光激发下的上转换发光光谱图;
图5为只掺杂Cr3+的上转换发光材料在690nm激光激发下的上转换发光光谱图;
图6为只掺杂Er3+的上转换发光材料在690nm激光激发下的上转换发光光谱图;
图7为掺杂少量Yb3+代替Cr3+制得的上转换发光材料在690nm激光激发下的上转换发光光谱图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
一种宽带敏化上转换发光材料,该发光材料的化学表达式为LiSc0.87Si2O6:0.06Cr3+,0.07Er3+,其制备步骤如下:
1、称取原料Li2CO3 0.0018mol,Sc2O3 0.001305mol,SiO2 0.003mol,Cr2O30.00009mol,Er2O3 0.000105mol;
2、将称取的原料充分混合后,在空气中于1200℃下烧结10h,得到焙烧产物;
3、将焙烧产物研磨成粉末过200目筛后,采用盐酸洗涤1次,离心所得沉淀在120℃下烘干,即得到本发明的宽带敏化上转换发光材料LiSc0.87Si2O6:0.06Cr3+,0.07Er3+。
使用690nm激光器对样品进行上转换发射光谱测试,测试功率为500mW,其上转换发光光谱如图1所示。
实施例2
一种宽带敏化上转换发光材料,该发光材料的化学表达式为LiSc0.98Si2O6:0.01Cr3+,0.01Er3+,其制备步骤如下:
1、称取原料Li2CO3 0.0018mol,Sc2O3 0.00147mol,SiO2 0.003mol,Cr2O30.000015mol,Er2O3 0.000015mol;
2、将称取的原料以及原料总重量0.5%的NH4F充分混合后,在空气中于800℃下烧结40h,得到焙烧产物;
3、将焙烧产物研磨成粉末过200目筛后,采用盐酸洗涤1次,离心所得沉淀在80℃下烘干,即得到本发明的宽带敏化上转换发光材料LiSc0.98Si2O6:0.01Cr3+,0.01Er3+。
使用690nm激光器对样品进行上转换发射光谱测试,测试功率为500mW,其上转换发光光谱如图2所示。
实施例3
一种宽带敏化上转换发光材料,该发光材料的化学表达式为LiSc0.83Si2O6:0.1Cr3 +,0.07Er3+,其制备步骤如下:
1、称取原料Li2CO3 0.0018mol,Sc2O3 0.001245mol,SiO2 0.003mol,Cr2O30.00015mol,Er2O3 0.000105mol;
2、将称取的原料以及原料总重量8%的NH4F充分混合后,在空气中于1500℃下烧结1h,得到焙烧产物;
3、将焙烧产物研磨成粉末过200目筛后,采用盐酸洗涤1次,离心所得沉淀在120℃下烘干,即得到本发明的宽带敏化上转换发光材料LiSc0.83Si2O6:0.1Cr3+,0.07Er3+。
用690nm激光器对样品进行上转换发射光谱测试,测试功率为500mW,其上转换发光光谱如图3所示。
实施例4
一种宽带敏化上转换发光材料,该发光材料的化学表达式为LiSc0.94Si2O6:0.05Cr3+,0.01Er3+,其制备步骤如下:
1、称取原料Li2CO3 0.0018mol,Sc2O3 0.00141mol,SiO2 0.003mol,Cr2O30.000075mol,Er2O3 0.000015mol;
2、将称取的原料充分混合后,在空气中于1200℃下烧结10h,得到焙烧产物;
3、将焙烧产物研磨成粉末过300目筛后,采用盐酸洗涤1次,离心所得沉淀在60℃下烘干,即得到本发明的宽带敏化上转换发光材料LiSc0.94Si2O6:0.05Cr3+,0.01Er3+。
使用690nm激光器对样品进行上转换发射光谱测试,测试功率为500mW,其上转换发光光谱如图4所示。
实施例5
一种宽带敏化上转换发光材料,该发光材料的化学表达式为NaSc0.92Si2O6:0.05Cr3+,0.03Er3+,其制备步骤如下:
1、称取原料Na2CO3 0.0018mol,Sc2O3 0.00138mol,SiO2 0.003mol,Cr2O30.000075mol,Er2O3 0.000045mol;
2、将称取的原料充分混合后,在空气中于1200℃下烧结10h,得到焙烧产物;
3、将焙烧产物研磨成粉末过200目筛后,采用盐酸洗涤1次,离心所得沉淀在150℃下烘干,即得到本发明的宽带敏化上转换发光材料NaSc0.92Si2O6:0.05Cr3+,0.03Er3+。
使用690nm激光器对样品进行上转换发射光谱测试,测试功率为500mW,其上转换发光光谱与实施例3中接近。
实施例6
一种宽带敏化上转换发光材料,该发光材料的化学表达式为LiIn0.92Si2O6:0.05Cr3+,0.03Er3+,其制备步骤如下:
1、称取原料Li2CO3 0.0018mol,In2O3 0.00138mol,SiO2 0.003mol,Cr2O30.000075mol,Er2O3 0.000045mol;
2、将称取的原料充分混合后,在空气中于1000℃下烧结12h,得到焙烧产物;
3、将焙烧产物研磨成粉末过400目筛后,采用盐酸洗涤1次,离心所得沉淀在60℃下烘干,即得到本发明的宽带敏化上转换发光材料LiIn0.92Si2O6:0.05Cr3+,0.03Er3+。
使用690nm激光器对样品进行上转换发射光谱测试,测试功率为500mW,其上转换发光光谱与实施例3中接近。
实施例7
一种宽带敏化上转换荧光粉材料,该发光材料的化学表达式为KLu0.92Si2O6:0.05Cr3+,0.03Er3+,其制备步骤如下:
1、称取原料K2CO3 0.0018mol,Lu2O3 0.00138mol,SiO2 0.003mol,Cr2O30.000075mol,Er2O3 0.000045mol;
2、将称取的原料充分混合后,在空气中于1200℃下烧结10h,得到焙烧产物;
3、将焙烧产物研磨成粉末过200目筛后,采用盐酸洗涤1次,离心所得沉淀在150℃下烘干,即得到本发明的宽带敏化上转换发光材料KLu0.92Si2O6:0.05Cr3+,0.03Er3+。
使用690nm激光器对样品进行上转换发射光谱测试,测试功率为500mW,其上转换发光光谱与实施例4中接近。
实施例8
参照实施例1进行一组平行实验,区别在于y值。
测试制得的上转换发光材料的发光强度,测试结果如下表1。
表1 Cr3+含量对材料发光性能的影响
由表1可以看出,在掺杂Er3+的基础上少量掺杂Cr3+,所得上转换发光材料即可实现上转换绿光发射,且随Cr3+掺杂量增大材料的上转换发光强度显著提升,当y值为0.04~0.1时,材料的上转换发光强度明显更优,并在y值为0.06时达到最强。
实施例9
参照实施例1进行一组平行实验,区别在于z值。
测试制得的上转换发光材料的发光强度,测试结果如下表2。
表2 Er3+含量对材料发光性能的影响
组别
z值
相对发光强度
第一组
0.01
6956
第二组
0.05
13414
第三组
0.06
13930
第四组
0.07
14394
由表2可以看出,在掺杂Cr3+的基础上少量掺杂Er3+,所得上转换发光材料即可实现上转换绿光发射,且材料的上转换发光强度与Er3+掺杂量呈正相关,当z值为0.05~0.07时,材料的上转换发光强度显著提升。
对比例1
参照实施例1制备上转换发光材料,区别在于,样品中只掺杂Cr3+,不掺Er3+。
所得上转换发光材料的上转换发射光谱如图5,可以看到,只掺Cr3+的样品在690nm激光激发下没有任何发射峰出现。
对比例2
参照实施例1制备上转换发光材料,区别在于,样品中只掺杂Er3+,不掺Cr3+。
所得上转换发光材料的上转换发射光谱如图6,可以看到,只掺Er3+的样品在690nm激光激发下也没有任何发射峰出现。
对比例3
参照实施例4制备一组上转换发光材料,区别在于,分别掺入原料总重量0%、1%、3%、5%的Yb3+敏化剂代替Cr3+。
使用690nm激光器分别对不同Yb3+掺量的样品进行上转换发射光谱测试,测试功率为300mW,样品的上转换发射光谱如图7;可以看到,随着Yb3+掺杂量的增加,样品的上转换发射光谱强度显著降低,即Yb3+的掺杂弱化了材料的上转换绿光发射强度。
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