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TbF3掺杂SrO-MgO-SiO2微晶玻璃结构与发光性能研究

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第35卷第1期 .35 No.1 2014年2月 陶鹭看旅 Vo1Journal ofCeramics Feb.2014 TbF3掺杂SrO—MgO—SiO2微晶玻璃结构与发光性能研究 何 峰,张文涛,吴成龙,刘庭伟,谢峻林,刘佳 (武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室,湖北武汉430070) 摘要:制备了一种新型的以透辉石为主晶相的Tb离子激活发光微晶玻璃,采用x射线衍射仪和荧光光谱仪研究了热处 理温度对微晶玻璃的结构及发光性能的影响。结果表明:Tb 掺杂SrO—MgO-SiO 微晶玻璃,其激发光谱分布在350 ̄500 nm之间,激发峰位于350 nm、375 nm、485 hill,主激发峰位于485 rim处。在485 nm波长激发下,发光颜色为绿色,发射 峰位于541 nm、584 nm,主发射峰位于541 nm处。热处理温度的升高不会改变Tb 掺杂SrO—MgO-SiO,微晶玻璃荧光光谱 的峰位,随着热处理温度的升高,荧光光谱强度呈现增强的趋势。 关键词:微晶玻璃;稀土;发光 中图分类号:TQ174.75 文献标志码:A 文章编号:1000—2278(2014)01—0026—06 Preparation and Luminescent Properties of Tb Doped SrO—MgO—SiO2 Glass Ceramics HEFeng,ZHANG WeI1taO,WUChenglong,Lf【,Tingwei,XIEJunlil1.LIUJia (State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,Hubei,China) Abstract:Tb doped SrO—MgO-SiO2 luminescent glass-ceramics were prepared by the melting method.The structure and luminescent properties of the glass—ceramics prepared at different temperatures were studied by X—ray diffraction.The results indicated that the excitation wavelengths of Tb doped SrO-MgO—SiO2 glass-ceramics ranged from 350 mn to 500 nm,the excitation peaks were located at 350 ntn, 375 mn and 485 nm while the major excitation peak was located at 485 nln.Tb”doped SrO-MgO—SiO2 glass—ceramics under excitation of 485nm could emit green light,showing emission peaks at 584 nln and hte major emission peak at 541 nm.With the annealing temperature increasing,the position of the fluorescent spectrum peak did not change,but the fluorescence spectrum intensity did present an increasing 订end. Key words:glass ceramics;rare earth;luminescence 0 引言 稀土掺杂的基质材料一般为晶体,包括已经得到 相对荧光粉来说发光玻璃、微晶玻璃是一类 大量应用的钇铝榴石 和掺铒钒酸钇上转换材料 更重要的荧光材料,因为它们具有很多荧光粉无法 等。基质材料也可以是非晶态玻璃材料,如稀土掺 实现的优点…,比如易于形成各种形状价格低廉优 杂钙铝硅系玻璃,其在飞秒激光照射后具有长余 良的透明性等等 】。稀土离子掺杂的发光玻璃与 辉效果 J。硅酸盐玻璃材料具有良好的热稳定性和 微晶玻璃材料 物理化学性能,适合作为稀土离子掺杂的基质。 近年来受到广泛关注。由于稀土离子特殊的 例如:目前已发现CaMgSi206:Eu ,DyH J, 4f电子结构,使得稀土离子掺杂的玻璃具有良好的 Ca2MgSi207:Eu2十,Df m 的发光性能优异,并具有 荧光特性,并且发光色度纯,物理化学性质稳定, 良好的余辉效果。硅酸盐材料作为发光材料的基质 转换效率高。稀土离子掺杂发光玻璃被应用于荧光 具有很大的发展潜力。晶体和非晶体作为基质材料 设备、激光、波导激光、上转换材料等领域[4-51。 各有优缺点,而微晶玻璃作为一种晶态和非晶态共 收稿日期:201 3-09-1 8 修订日期:201 3-09—25。 Received date:2013—09—18.Revised date:2013-09-25 第一作者:何峰(1 965一),男,博士,教授。 First author:HE Feng(1965-),male,Ph.D.,Professor. E—marl:he—feng2002@1 65.COnr 第35卷第1期 何峰等:TbF3掺杂Sr0一Mg0一SiO2微晶玻璃结构与发光性能研究 存的材料,兼具了该类材料的可加工性及物化性质 的稳定性,晶体发光材料优异的发光性能及玻璃材 用日本RIGAKU产的X射线衍射分析仪(D/MAX— RB)对热处理后的微晶玻璃试样粉末进行分析,测 试条件为:Cu靶、Ka线辐射、管电压40 KV、电 流30 mA、扫描速度l0℃/min、步长0.02。、扫描 范围l0。~70。、测试温度为室温。用Jasco FP一 料优异的均匀性,具有重要的研究与实用价值 。 采用SrO—MgO—SiO,系玻璃作为基质,以稀 土离子Tb抖为激活剂,通过适当的热处理,制备出 了以透辉石CaMgSi 0 为主晶相的新型发光微晶玻 璃,探讨了热处理制度对微晶玻璃结构及发光性能 的影响。同时研究了发光性能与稀土氧化物掺杂量 的关系。 6500型荧光光谱仪测试样品的发射光谱与激发光 谱。用150 W的氙灯作激发源,狭缝为1.5 nm,光 电倍增管电压为700 V,扫描速度为1200 nm/min。 2结果与讨论 2.1热处理温度对微晶玻璃内部晶相的影响 图1是基质玻璃试样(FG)的DSC曲线。由图可 知该玻璃的转变温度(T )为758℃,在908 oC处有 一1 实验 1.1玻璃的制备 SrO—MgO—SiO,基础玻璃的组成见表l。Tb抖 激活剂以纯度为99.99%的TbF 掺入。TbF 是在基 质玻璃组成的基础上外加一定量的,得到一系列的 FGT微晶玻璃,在不同的热处理温度下进行热处 理工艺,探讨热处理温度对TbF 掺杂微晶玻璃发 光性能的影响。 TbF 掺入量见表2。将50 g混合均匀的配合料 非常强的吸热峰,对应的是玻璃软化时所产生的 强烈吸热(T ),析晶峰温度(T )为948℃,峰形比 较尖锐,说明在该温度下热处理,玻璃将出现析 晶。通常用T 和T 的差值△T来衡量玻璃析晶的难 装入30 mL的刚玉坩埚,在硅钼炉中进行熔制, 1500℃保温2 h。样品浇铸成型为①30 mm×8 mm 的圆片,然后在马弗炉中550℃退火2 h,随炉自 然冷却至室温。得到的玻璃样品在不同的热处理温 度下保温3 h。 重 0 g 星 ∞ 尽 兰 罟 1.2测试与分析 称取30 mg玻璃粉末,以Al2O3为参比材料,利 用德国耐弛公司的差热分析仪(NETzSCH STA 449C)测得玻璃转变温度、析晶开始温度和析晶峰 Temperature/(X2) 图1基础玻璃试样的DTA曲线 Fig.1 DTA result of the investigated glass sample 温度,升温速率为10℃/min, 保护气为Ar气。利 表1玻璃陶瓷的组成(重量%) Tab.1 The basic composition of glass ceramics fwt.%) 表2不同热处理温度的FGT试样的组成及热处理制度 Tab.2 The composition and heat treatment of FGT samples 第35卷第1期 何峰等:TbF 掺杂Sr0一Mg0一Si0 微晶玻璃结构与发光性能研究 璃在485 Fim激发波长下的一系列发射光谱,发射 光谱的形状基本没有发生变化。当用485 rim蓝光 激发Tb计掺杂微晶玻璃样品时,发现样品的发光颜 色为绿色光,发射峰峰位为541 nm、584 nm,其 理后的FGT一1样品的发射强度反而 ̄LFGT一0样品 的发射强度有所下降。这是因为在FGT-1样品内 部出现的微小分散晶核尺寸与可见光波长(0.40~ 0.76 m)大致接近,见图4。试样呈现半透明状, 导致玻璃内部Tb 作为发光中心发光穿过玻璃时出 现能量损失,从而发光强度有所降低。经1000℃ 中最强发射峰在541 ilm。其中541 Ilm处峰位对应 于 D4一 F 跃迁,584 1qII1处峰位对应于 D4一 F4跃 迁。观察FGT系列发射光谱图发现,在540 ilm处 热处理后的FGT一2样品内部开始出现Sr,MgSi,O 晶体,Tb 离子半径(0.1 1 8 nm)与Sr2MgSi2O 晶 体阳离子Sr 的离子半径(0.1 12 nm)¥N近,由于离 子的聚集效应,Tb抖取代部分Sr 进XSr2MgSi2O7 晶格,导致微晶玻璃中晶相的微观结构发生了变 化,可以认为微晶玻璃内部的Tb 取代部分Sr 的Sr2MgSi2O7晶相起到了类似荧光粉Sr2MgSi2O7: Tb抖的作用,由此产生发光现象。玻璃的声子能量 的发射峰产生峰的劈裂现象,这是由于配位场对 Tb 的微扰作用使其发射峰发生,H ̄Starknb 级效应¨ 。随着热处理温度的升高,发射峰峰 位和峰强呈现出和激发光谱相同的变化趋势:峰位 不随热处理温度变化,但是峰强随着热处理温度的 升高先减小后增大。 热处理温度的变化对Tb¨掺杂微晶玻璃的激 发峰和发射峰的峰位没有影响,这是由于4f电子轨 较Sr,MgSi O 晶格的声子能量大,发光中心Tb抖所 处晶体场环境由非晶态变为晶态,降低了多声子弛 豫现象和非辐射跃迁现象的发生几率,由此发光强 度明显提高。在热处理温度增加到1050℃和1100 ℃制得的FGT-3样品 ̄FGT-4样品内析出晶体含 量增加,样品的发光强度进一步增加。 道处于内层,f-f组态之间的跃迁受外部场强的影 响非常微小。Tb 属于高场强、高电荷的离子, 半径大,配位数高,一般不会进入玻璃网络结构 中,只会处于网络空隙中,由此判断在未经热处 理的FGT-0样品中,Tb抖只能作为网络外体存在 于玻璃中,玻璃体系的声子能量较大,非辐射弛 2.2.2 Tb抖浓度对TbF 掺杂微晶玻璃发光性能的 影响 为探讨Tb抖浓度对TbF 掺杂微晶玻璃发光性 能的影响,制备一系列的FGT微晶玻璃,配方如 表3,与相同热处理制备工艺下、Tb 掺杂量为 0.10的FGT一3试样进行对比。 图5为相同热处理制度下不同TbF 掺杂量的 豫速度大,导致其发光强度低于热处理后的微晶 玻璃样品的发光强度。相对而言,经950℃热处 SrO-MgO—SiO,微晶玻璃的激发和发射光谱图。 图5(a)是不同掺杂量Tb 掺杂SrO-MgO-SiO,微晶 玻璃在541 12m监控波长下的一系列激发光谱,激 发光谱的形状基本没有发生变化,发现其激发峰主 要集中于350~500 nm之间,最强激发峰位于485 图4经950℃热处理后的FGT-1样品的SEM照片 Fig.4 SSEM photo of sample FGT一1 after heat treatment at 950℃ ilm处,对应的是 F 一 D 的跃迁。除了最强激发峰 之外,还在350 lqm、375 I3II1处也出现激发峰,分 别对应的跃迁是 F 一 D,、 F 一 D 。观察a图中一 表3不同TbF 掺杂量的FGT试样的组成及热处理制度 Tab.3 The composition and heat treatment of FGT samples 第35卷第1期 何峰等:TbF3掺杂SrO~MgO—SiO 微晶玻璃结构与发光性能研究 【J】Chem.Mater.,2006,18(11):2726-2732. 【8】QIU Jianrong,MIURA K,INOUYE H.et a1. 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