金属离子掺杂发光材料的合成及其在手印显现中的应用研究

发布时间：2016-12-05 18:54

  本文关键词：金属离子掺杂发光材料的合成及其在手印显现中的应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

《中国地质大学》 2015年

金属离子掺杂发光材料的合成及其在手印显现中的应用研究

熊晓波  

【摘要】：金属离子掺杂发光材料的大规模应用,极大地推动了照明和显示技术的发展,随着科学技术的进步以及学科交叉融合发展趋势的增强,逐渐向生物医学、新能源、科技等领域渗透发展。以无机发光材料为基础的新型光源和平板显示设备虽已在照明和显示领域占据主流地位,但在发光效率和显色指数方面还有待提高,这对发光材料的性能提出了更高的要求,同时长波紫外(近紫外)半导体芯片技术的日趋成熟,并不断向更短波长紫外光范围发展,使得可激发的荧光粉选择范围更广,这有利于更好地发挥发光材料的性能,推动发光材料应用向更深层次发展。因此,开发新型高效金属离子掺杂的发光材料,做好深度开发和利用,拓展其应用范围显得尤为迫切。本论文系统研究了SrZn2(PO4)2:Sn2+, Mn2+, Na2SrMg(PO4)2:Ce3+, Mn2+, LiZnPO4:Eu3+三种磷酸盐基质新型发光材料的制备方法和发光性能；系统研究了Ba2Mg(BO3)2基质荧光粉的高温固相法制备工艺条件,以及Eu3+掺杂浓度对基质晶格环境和发光性能的影响,研究了还原气氛对荧光粉Ba2Mg(BO3)2:Eu2+,3+发光性能的影响；合成了可被紫外(近紫外)激发的Zn2SiO4:Tb3+, Ce34高效绿色荧光粉,系统研究了其制备工艺条件和光谱性能；采用溶胶-凝胶法(高温固相法)分别制备了Zn2SiO4:Mn2+, Er3+微纳米荧光粉,长余辉发光粉SrAl2O4:Eu2+, Dy3+、Sr2MgSi2O7:Eu2+, Dy3+,并应用于不同客体上潜在手印的显现。论文主要工作和研究成果如下：1. SrZn2(PO4)2:Sn2+, Mn2+荧光粉的制备及发光性能研究系统研究了高温固相法制备SrZn2(PO4)2:Sn2+, Mn2+的制备工艺,在850℃下保温3 h得到的样品性能最佳。系统研究了SrZn2(PO4)2:Sn2+, Mn2+光谱性质,发现在SrZn2(PO4)2基质中,Sn2+的宽带发射光谱与Mn2+激发光谱重叠较多,分析了SrZn2(PO4)2:Sn2+, Mn2+中Sn2+-Mn2+离子之间的能量传递机理,经一系列的计算,得到Sn2+-Mn2+能量传递临界距离约为2.26 nm,荧光粉的颜色可以通过Sn2+, Mn2+掺杂浓度的变化来调节。在254 nm短波紫外下荧光粉发出很强的蓝白光,因此SrZn2(PO4)2:Sn2+,Mn2+:有希望应用于紧凑型节能灯照明领域。2.新型红色荧光粉Na2SrMg(PO4)2:Ce34, Mn2+的发光性能研究采用高温固相法制备了—种新型的红色荧光粉Na2SrMgCPO4)2:Ce3+, Mn2+,详细研究了制备的工艺条件,确定了最佳制备条件为煅烧温度900℃,保温反应3小时,发现了900℃～950℃之间存在一个相转变温度,对荧光粉的发光性能会产生不利影响。系统研究了Na2SrMg(PO4)2:Ce3+) Mn2+的发光性质,发现Ce3+以有效敏化Mn2+的发光。详细分析了Na2SrMg(PO4)2:Ce3+, Mn2+中Ce3+→Mn2+的能量传递,属于电偶极-电四极相互作用机理,经计算Ce3+→Mn2+能量传递临界距离Rc≈1.64 nm。系统研究了Ce3+, Mn2+掺杂浓度对样品的影响,确定了Ce3+,Mn2+最佳掺杂浓度分别为4at.%(at.%,原子百分比),19at.%,色坐标为(0.5058,0.3435),位于橙红区,能被254 nm短波紫外光有效激发,可以和前述制备的SrZn2(PO4)2:Sn2+, Mn2+蓝白色荧光粉配合应用于紧凑型节能灯照明领域。3.红色荧光粉LiZnPO4:Eu3+发光性能研究系统研究了LiZnPO4:Eu3+;红色荧光粉高温固相法制备条件,以及Eu3+掺杂浓度样品性能的影响。900"C条件下反应3 h, LiZnPO4的结晶度较好。LiZnPO4:Eu34以发射592 nm橙红光为主,表明其具有对称中心。当Eu3+掺杂浓度为12at.%时,样品的发光强度最大,Eu3+浓度猝灭临界距离为1.21 nm。研究了Gd3+掺杂对LiZnPO4:Eu3+发光的影响,发现在不改变Eu3+浓度的情况下,Eu3+在592 nm和612 nm处发射强度均明显增强,证明Eua+发光能被Gd3+有效敏化。研究了Si4+掺杂对Eu3+发光性能的影响,发现Si4+的掺入有效增强了样品的发射强度,因此可以减少Eu3+用量,降低原料成本。LiZnPO4:Eu3+红色荧光粉能够有效吸收近紫外和短波紫外区的光线,可作为三基色荧光粉的红光成分用于荧光灯。4. Ba2Mg(BO3)2:Eu2+(3+)荧光粉发光性能研究系统研究了Ba2Mg(BO3)2基质荧光粉的高温固相法制备工艺条件,以及Eu3掺杂浓度对基质晶格环境和发光性能的影响。发现在900℃下保温3 h制得的样品的发光性能最好。研究发现,当Eu3+浓度较低时,荧光粉在594 nm的发射峰强度最大,随着Eu3+掺杂浓度的增加,Eu3+偏离对称中心的程度越来越大,并产生了两个Eu3+发光中心,当Eu3+浓度超过3at.%时,荧光粉在613 nm的发射峰强度开急剧增强,浓度达到3.5at.%时,613 nm的发射开始占主导,这是由于晶体结构的扭曲程度导致晶格对称性发生了较大的改变,释放了更多禁戒的5D0→7F2电偶极跃迁。研究了还原气氛对荧光粉Ba2Mg(BO3)2:Eu2+,3+发光性能的影响。在碳粉(CO)还原气氛下,ER3+并没有被完全还原,导致Eu2+和Eu3+共存于荧光粉中,形成了多个发光中心,可以采用365 nm,395 nm近紫外光进行选择性激发；改变还原气氛,更多的Eu3+被H2还原为Eu2+,导致荧光粉在564 nm的黄光发射显著增强,但仍未能将Eu3+完全还原。通过反应条件的控制,制备了橙色荧光粉Ba2Mg(BO3)2:Eu3+和高亮度的Ba2Mg(BO3)2:Eu2+,3+黄色荧光粉,其中黄色荧光粉的色坐标与白光区域接近,可以采用近紫外InGaN芯片激发与蓝光混合使其在白光LED中得到广泛的应用。5.离子掺杂的Zn2SiO4绿色荧光粉的制备、发光性能及手印显现应用研究系统研究了Zn2-x-ySiO4:Tbx3+,3+高温固相法制备工艺条件及发光性能,在1150℃下保温2 h制得的样品性能发光最佳。详细研究了离子掺杂浓度对样品性能的影响,由于Ce3+敏化作用,Tb3+的发射强度显著增强。基于Dexter电多极相互作用能量传递公式和Reisfeld近似,确定了Ce3+→Tb3+的能量传递属于电偶极-电偶极相互作用机理,Ce3+,Tb3+离子能量传递临界距离约为2.76 nm。Zn2SiO4:Tb3+, Ce3+荧光粉在340～365 nm波长范围有较大激发强度,可以与长波紫外芯片相匹配,使其在白光LED中可以得到广泛的应用。采用溶胶-凝胶法制备了Zn2SiO4:Mn2+, Er3+(ZSME)微纳米荧光粉,并应用于手印显现与成像,与有机纳米荧光粉(英国Roar Partilce公司)相比,ZSME荧光粉发光效率高,且与手印物质吸附效果好,可以显现潜在手印的第三级特征(汗孔),在荧光成像中有效降低了客体背景对手印纹线的干扰,得到了高对比度的手印成图像。6.长余辉发光材料显现潜在手印与时间分辨成像研究分别采用溶胶-凝胶法制备了SrAl2O4:Eu2+, Dy3+,高温固相法制备了Sr2MgSi2O7:Eu2+,Dy3+,分析了长余辉发光粉的发光性质以及不同客体上潜在手印的显现与成像的特点,并与有机纳米荧光粉进行了对比实验研究。结果表明,两种长余辉发光粉的激发光谱覆盖250～440nm波长范围,可以被法庭科学常用光源以及日常生活中的普通光源有效激发,发光亮度高,余辉时间长。两种长余辉发光粉有效地显现出各种非渗透性客体上、半渗透性客体上的新鲜或陈旧的潜在汗液(皮脂)手印,其中,非渗透性客体上的手印显现与成像效果好于半渗透性客体,实验结果显示,两种长余辉发光粉显现手印与成像效果均优于有机纳米荧光粉,尤其是可以很好地显现出复杂背景客体上的潜在手印,在成像过程中可有效消除(降低)背景图案和荧光干扰,实现潜在手印的时间分辨成像。Sr2MgSi2O7:Eu2+, Dy3+可以应用于各种干燥客体或潮湿客体上的手印显现,在水溶液中性质稳定,对环境的适应性优于SrAl2O4:Eu2+, Dy3+长余辉发光粉。本论文的创新点在于：1.合成了新型SrZn2(PO4)2:Sn2+, Mn2+蓝白色荧光粉, Na2SrMg(PO4)2:Ce3+, Mn2+红色荧光粉,并分别研究了Sn2+-Mn2+,Ce3+-Mn2+离子间的能量传递机理,对于Na2SrMg(PO4)2基质材料,发现在900'C-950℃之间存在一个相转变温度。2.系统研究了Eu3+掺杂浓度对LiZnPO4:Eu3+发光性能的影响,将Gd3+, Si4+掺入基质材料中,有效提高了样品的发光强度,可以降低制备成本。3.发现了Eu3+掺杂浓度对Ba2Mg(BO3)2发光和基质晶格环境的影响规律；研究了还原条件对样品发光性能的影响,通过控制反应条件使得样品能够有效发射黄光。4.合成了新型绿色荧光粉Zn2SiO4:Tb3+, Ce3+,并分析了Ce3+→Tb3+的能量传递机理。5.将Zn2SiO4:Mn2+, Er3+激纳米荧光粉,长余辉发光粉SrAl2O4:Eu2+, Dy3+和Sr2MgSi2O7:Eu2+Dy3-应用于潜在手印的显现中,实现了手印的时间分辨成像,对于解决复杂背景客体手印成像难题具有重要意义。

【关键词】：
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB39;O482.31
【目录】：

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8 汪华月;固相法制备纳米碳酸钙及碳酸钙基红色发光材料[D];广西大学;2015年

9 计娉婷;铝酸盐发光材料的控制合成与耐水性包覆研究[D];合肥工业大学;2012年

10 陈玖琳;几种半导体发光材料最佳掺杂含量的理论研究[D];河北工业大学;2003年

  本文关键词：金属离子掺杂发光材料的合成及其在手印显现中的应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：205779