CN108557782B - 一种二价铕掺杂氮化铝纳米分级结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的二价铕掺杂氮化铝纳米分级结构的制备方法属于LED荧光粉和纳米材料制备的技术领域。本发明的方法,有如下步骤:将Al与Eu2O3粉末按100:0.5~1的摩尔比例放入混料机中混合均匀,压成压块;将压块置于石墨锅内,放入卧式直流电弧放电装置的反应室内的铜锅阳极中,钨棒阴极与铜锅阳极相对水平放置;将反应室抽成真空后充入氮气,铜锅通入循环冷却水;在放电过程中,阴极逆时针旋转速度为2π/min,保持电压为20~30V,电流为80~120A,反应5~15分钟;再在氮气环境中钝化6~7小时,在冷凝壁上和石墨锅中收集灰白色的毛绒状粉末为Eu2+掺杂AlN纳米分级结构。本发明具有方法简单、反应快速、低成本、无污染、产量大、样品纯度高,可重复性好、无需添加催化剂等优点。
Description
技术领域
本发明属于LED荧光粉和纳米材料制备的技术领域,特别涉及了一种简单的制备二价铕(Eu2+)掺杂氮化铝(AlN)分级纳米结构的新方法。
背景技术
发光二极管(LED)因其寿命长、效率高、可靠性高、污染小等优点,在日常生活中越来越受到人们的重视。通常产生白光的基本方法有两种,都需要向下转换LED光的荧光粉。近年来,新开发的氮化物荧光粉由于具有效率高、激发与发射波长长、化学和热稳定性好等优点而备受关注。
AlN是一种典型的具有纤锌矿结构的二元氮化物。由于其禁带宽度为6.2eV,被认为是光致发光和电致发光器件的候选材料。因此,对稀土或过渡金属掺杂的AlN薄膜或荧光粉是研究热电。稀土元素作为活性荧光剂掺杂AlN主要集中在三价铕离子,三价铽离子,二价铕离子(Eu2+)等。根据AlN基质中的氧含量,Eu2+掺杂AlN荧光粉的发射可从蓝光到绿光。目前,制备Eu2+掺杂AlN方法有气体还原氮化法(J.Appl.Phys.111,(2012)053534)、等离子活化烧结(Ceram.Int.,37(2011)2051–2054),火花等离子烧结(J.Am.Ceram.Soc.,93(2010)356-358),直接氮化法(Luminescence(2017)1-5)等。这些方法制备Eu2+掺杂AlN都是体材料,而且反应时间长,能耗高,不利于工业化生产。现代LED技术面临的巨大挑战是合成具有可控形貌和纳米尺寸的荧光粉。纳米荧光粉将使荧光材料的亮度和分辨率得到提高。通过有机前驱体的方法能够有效的制备纳米尺寸的Eu2+掺杂AlN,但是此方法引入碳等杂质。因此,需要发明一种新型的简单制备方法制备高纯Eu2+掺杂AlN纳米材料。
发明内容
本发明要解决的技术问题是,克服大半径元素掺杂困难,且制备过程中纯度不高、反应过程复杂,产量低等缺点,公开一种制备过程简单、产量高、样品纯度高的Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的制备方法。
本发明的二价铕掺杂氮化铝纳米分级结构的制备方法,是采用直流电弧放电装置。具体的技术方案如下。
一种二价铕掺杂氮化铝纳米分级结构的制备方法,有如下步骤:将Al与Eu2O3粉末按100:0.5~1的摩尔比例放入混料机中混合均匀,压成压块;将压块置于石墨锅内,放入卧式直流电弧放电装置的反应室内的铜锅阳极中,钨棒阴极与铜锅阳极相对水平放置;将反应室抽成真空后充入氮气,氮气气压为40~50kPa,铜锅通入循环冷却水;在放电过程中,阴极逆时针旋转速度为2π/min,保持电压为20~30V,电流为80~120A,反应5~15分钟;再在氮气环境中钝化6~7小时,在冷凝壁上和石墨锅中收集灰白色的毛绒状粉末为Eu2+掺杂AlN纳米分级结构。
进一步,所述Al与Eu2O3粉末的摩尔比例为100:1。
进一步,所述氮气最佳反应气压为40kPa,实际的保护气压为40kPa。
进一步,所述的直流电弧放电装置的反应条件为:电压为20V,电流为100A。
进一步,所述压块密度为4~5g/cm3。
本发明利用直流电弧放电装置制备Eu2+掺杂AlN分级纳米结构具有方法简单、反应快速、低成本、无污染、产量大、样品纯度高,可重复性好、无需添加任何催化剂、模板、基底等优点。制备的产品在光电发射器,荧光粉、闪烁体探测器等领域具有应用潜力。
附图说明
图1本发明卧式直流电弧放电装置结构图。
图2是实施例2制得的Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的SEM图。
图3是实施例2制得的Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的EDS图。
图4是实施例2制得的Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的XRD谱图。
图5是实施例2制得的Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的PL谱图。
图6是实施例3制得的Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的SEM图。
图7是实施例3制得的Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的EDS图。
图8是实施例3制得的Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的XRD谱图。
图9是实施例3制得的Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的PL谱图。
图10是实施例4制得的Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的SEM图。
图11是实施例4制得的Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的XRD图。
图12是实施例5制得的AlN样品PL图谱。
具体实施方式
实施例1直流电弧放电装置结构
结合图1说明本发明制备Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的卧式直流电弧装置结构。图1中,1为反应室,2为冷凝壁,3为由钨棒构成的阴极,4样品收集区,5Al和Eu2O3混合粉末块,6水冷循环为阳极,7进水口,8出水口9为进气口10为出气口。
直流电弧中的高温环境下的等离子体,是制备Eu2+掺杂AlN纳米分级结构的关键所在。直流电弧法在高温、高电离和高淬冷的动态极端环境下,通过高温蒸发、升华和电子与离子束爆轰,易形成纳米和亚纳米尺度具有高反应活性的反应物团簇。这些团簇在适当成核条件下有利于大半径的Eu2+离子掺杂到AlN基质中。石墨锅构成的阳极能够有效的抗高温,并且在反应过程中,石墨埚能有效的还原Eu2O3中的氧,使样品掺杂均匀,纯度高。钨棒构成的阴极能有效的抗高温,卧式结构中阴极在制备过程中,延逆时针匀速转动,可以是阳极的反应原料更均匀的反应。
实施例2制备最佳Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的全过程。
将Al与Eu2O3粉末按100:1的摩尔比例放入混料机中混合均匀。取出5g的混合粉,使用压片机压块,压成直径为1.8cm,高为2cm的圆柱体。将压成的混合块放入石墨锅,再放入直流电弧放电装置的反应室中阳极中。电弧放电装置的阳极为铜锅(铜锅内放置有共同作为阳极的电极石墨锅),阴极为钨电极,钨棒阴极与铜锅阳极相对水平放置。将直流电弧放电装置的反应室抽成真空(小于5pa),然后充40kPa氮气。铜锅通入循环冷却水,开始放电。在放电过程中,阴极逆时针旋转速度为2π/min,保持电压为20V,电流为100A,反应5分钟。再在氮气气环境中钝化7小时,然后在冷凝壁收集白色绒毛状的Eu2+掺杂AlN分级纳米结构。
图2给出上述条件制备的Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的SEM图,可以看出样品为主干和分支构成的分级纳米结构。分支为纳米锥状,直接为100~200nm,沿主干两次均匀生长。图3给出上述条件制备的Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的EDS图,可以得出样品是由Al,N和Eu三种元素组成,并且Eu的含量为1.1%。图4给出上述条件制备的Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的XRD谱图,证明样品为AlN,没有杂质峰出现。但与纯的AlN样品的XRD谱图比较,所有XRD衍射峰均向小角度移动,证明大离子半径的Eu掺杂到AlN中,使其晶格变大。图5是上述条件制备的Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的PL谱图,样品在518nm有一个强发射峰,发出绿光。
实施例3制备Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的全过程。
将Al与Eu2O3粉末按100:0.5的摩尔比例放入混料机中混合均匀。取出3g的混合粉,使用压片机压块,压成直径为1.8cm,高为1cm的圆柱体。将压成的混合块放入石墨锅,再放入直流电弧放电装置的反应室中阳极中。电弧放电装置的阳极为铜锅(铜锅内放置有共同作为阳极的电极石墨锅),阴极为钨棒电极,,钨棒阴极与铜锅阳极相对水平放置。将直流电弧放电装置的反应室抽成真空(小于5pa),然后充50kPa氮气。铜锅通入循环冷却水,开始放电。在放电过程中,阴极逆时针旋转速度为2π/min,保持电压为30V,电流为120A,反应15分钟后,再在氮气环境中钝化6小时,在石墨锅内收集灰白色的Eu2+掺杂AlN样品。图7给出上述条件制备的Eu2+掺杂AlN的SEM图,确认制得样品为纳米分级结构。图8给出上述条件制备的Eu2+掺杂AlN的EDS图,可以得出样品是由Al,N和Eu三种元素组成,并且Eu的含量为0.56%。图8给出上述条件制备的Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的XRD谱图,证明样品为AlN,没有杂质峰出现。图9给出上述条件制备的Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的PL谱图,样品在524nm有一个强发射峰,发出绿光。
实施例4制备Eu2+掺杂AlN分级纳米结构的全过程。
将Al与Eu2O3粉末按100:4的摩尔比例放入混料机中混合均匀。取出5g的混合粉,使用压片机压块,压成直径为3cm,高为3cm的圆柱体。将压成的混合块放入石墨锅,再放入直流电弧放电装置的反应室中阳极中。电弧放电装置的阳极为铜锅(铜锅内放置有共同作为阳极的电极石墨锅),阴极为钨棒电极。将直流电弧放电装置的反应室抽成真空(小于5pa),然后充5kPa氮气。铜锅通入循环冷却水,开始放电,在放电过程中,保持电压为20V,电流为80A。反应5分钟后,再在氮气环境中钝化6小时,在冷凝壁上收集灰色粉末状样品。图10给出上述条件制备的样品的SEM图,确认制得的是不纯的纳米线和纳米块混合结构。图11给出上述条件制备的样品的XRD图,证明样品为Al,含有少量的AlN。
实施例5制备AlN的全过程。
取出5g的Al粉,使用压片机压块,压成直径为1.8cm,高为3cm的圆柱体。将压成的混合块放入石墨锅,再放入直流电弧放电装置的反应室中阳极中。电弧放电装置的阳极为铜锅(铜锅内放置有共同作为阳极的电极石墨锅),阴极为钨电极。将直流电弧放电装置的反应室抽成真空(小于5pa),然后充40kPa氮气。铜锅通入循环冷却水,开始放电。在放电过程中保持电压为30V,电流为120A,反应8分钟。再在氮气环境中钝化5小时,然后在冷凝壁收集白色绒毛状的AlN纳米棒。图12是上述条件制备的纯AlN的PL谱图,只有一个很弱的宽的发光峰在592nm,是由AlN本身的缺陷产生的。
Claims (1)
1.一种二价铕掺杂氮化铝纳米分级结构的制备方法,有如下步骤:将Al与Eu2O3粉末按100:1的摩尔比例放入混料机中混合均匀,压成压块,所述压块密度为4~5g/cm3;将压块置于石墨锅内,放入卧式直流电弧放电装置的反应室内的铜锅阳极中,钨棒阴极与铜锅阳极相对水平放置;将反应室抽成真空后充入氮气,氮气气压为40kPa,铜锅通入循环冷却水;在放电过程中,阴极逆时针旋转速度为2π/min,保持电压为20V,电流为100A,反应5~15分钟;再在氮气环境中钝化6~7小时,在冷凝壁上和石墨锅中收集灰白色的毛绒状粉末为Eu2+掺杂AlN纳米分级结构。
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