CN109097045A - 一种小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料及其制备方法和应用。所述制备方法包括如下步骤：S1：将钬源、镱源、铌源和锂源溶解得混合溶液；S2：混合溶液于260~280℃下反应，冷却，离心，洗涤，干燥后得沉淀物；S3：将沉淀物于500~650℃下煅烧0.5~2h，研磨即得小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料。本发明选用高温水热法，无需800℃及以上高温的煅烧即可成功将钬离子和镱离子掺杂入铌酸锂晶格中，工艺简单；制备得到的小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料能够稳定存在于空气中，粒径为纳米级别（200~500nm），在980nm波长激光器的激发下，可发出绿色和红色的光，将有望扩展铌酸锂的应用范围。

Description

一种小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料及其制备方法和 应用
技术领域
本发明属于光学材料技术领域，具体涉及一种小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料及其制备方法和应用。
背景技术
上转换材料的研究和发展一直都是当今国际社会共同关注的研究热点，其利用上转换发光过程将两个或多个低能光子转变为一个高能光子，在三维立体显示、温度传感及生物医学等方面都有美好的应用前景。材料尺寸/形貌/相的调控是构建体材料的基础，也是器件小型化的必经之路。铌酸锂（LiNbO3）材料特殊的结构可为稀土离子发光提供载体。特别地，LiNbO3是少数集电光、声光、铁电、压电和非线性光学于一体的光学材料，被称为非线性光学硅。稀土离子掺杂铌酸锂上转换材料可以有效的将稀土离子的光学性能和LiNbO3 基质材料的非线性光学性能结合在一起，为开辟集成性、微小器件创造了充分的条件。与传统铌酸锂单晶体相比，小尺寸铌酸锂上转换材料可以更广泛应用于温度传感、生物荧光成像、DNA检测、免疫测定以及疾病诊断等方面。
因此，提供一种小尺寸的铌酸锂上转换材料具有重要的研究意义和应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中铌酸锂都是以大尺寸单晶作为上转换材料，其应用受到限制的缺陷和不足，提供一种小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料的制备方法。本发明提供的制备方法为高温水热法，无需高温（800℃及以上温度）煅烧即可成功将钬离子和镱离子掺杂入铌酸锂晶格中，工艺简单；制备得到的小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料能够稳定存在于空气中，粒径为纳米级别，在980nm波长激光器的激发下，可发出绿色和红色的上转换可见光。
本发明的另一目的在于提供上述制备方法制备得到的小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料。
本发明的另一目的在于提供上述小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料在光学领域中的应用。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料的制备方法，包括如下步骤：
S1：将钬源、镱源、铌源和锂源溶解得到混合溶液；所述钬源、镱源、铌源和锂源的摩尔比为1~5.579: 11.14~50.06: 260.1~310.0: 676.0~806.3；
S2：所述混合溶液于260~280℃下反应至少48h，冷却，离心，洗涤，干燥后得沉淀物；
S3：将所述沉淀物于500~650℃下煅烧0.5~2h，研磨即得到小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料。
本发明利用高温水热法来实现小尺寸钬离子和镱离子双掺杂铌酸锂上转换材料的制备，水热温度太低，将难以形成铌酸锂；水热温度太高，则存在一定危险。本发明通过对水热反应时间及温度的控制，制备出纳米级别的铌酸锂上转换材料，能够稳定存在于空气中，且不需要经过高温煅烧即可成功将钬离子和镱离子掺杂入铌酸锂晶格中。在980nm波长激光器的激发下，钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料可以发出绿色和红色的上转换可见光，将有望扩展铌酸锂的应用范围。
现有常规的钬源、镱源、铌源和锂源均可用于本发明中。
优选地，所述钬源为五水硝酸钬或四水醋酸钬中的一种或几种。
优选地，所述镱源为五水硝酸镱或醋酸镱中的一种或几种。
优选地，所述铌源为五氧化二铌。
优选地，所述锂源为一水氢氧化锂或氢氧化锂中的一种或几种。
优选地，所述钬源、镱源、铌源和锂源的摩尔比为2.180: 21.80:296.2: 770.0。
优选地，S1中溶解于水中得到混合溶液。
优选地，S2中反应的温度为280℃，时间为72h。
优选地，S2中离心的速率为7000rpm，时间为5min。
优选地，S2中洗涤的过程为：利用去离子水洗涤3次。
优选地，S3中煅烧的温度为500℃，时间为2h。
优选地，S3中研磨的时间为至少2min。
一种小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料，通过上述制备方法制备得到。
优选地，所述小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料的粒径为200~500nm。
上述小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料在光学领域中的应用也在本发明的保护范围内。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的制备方法为高温水热法，无需800℃及以上的高温煅烧即可成功将钬离子和镱离子掺杂入铌酸锂晶格中，工艺简单；制备得到的小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料能够稳定存在于空气中，粒径为纳米级别（200~500nm），在980nm波长激光器的激发下，可发出绿色和红色的上转换可见光，将有望扩展铌酸锂的应用范围。
附图说明
图1是实施例1提供的小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料的荧光光谱图；
图2是实施例1提供的小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料的XRD图；
图3是实施例1提供的小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料的SEM图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下例实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照本领域常规条件或按照制造厂商建议的条件；所使用的原料、试剂等，如无特殊说明，均为可从常规市场等商业途径得到的原料和试剂。本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料，通过如下方法制备得到。
1.称取1.790×10-2mmol的五水硝酸钬、1.790×10-1mmol的五水硝酸镱、2.341mmol的五氧化二铌和6.322mmol的一水氢氧化锂放置于反应釜内胆中。
2.量取40mL去离子水加入反应釜内胆中，搅拌均匀。
3.将反应釜拧紧，并置于高温干燥箱中280℃反应72h。
4.待反应釜冷却，7000rpm离心5min收集沉淀，并用去离子水清洗3次。
5.将干燥后的沉淀物放置于马弗炉中500℃煅烧2h。
6.将煅烧后的上转换材料研磨2min，制备得到小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料。
图1是本实施例1所制备的钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料的荧光光谱图。如图所示，在980nm波长激光的激发下，所制备样品发出绿色和红色的上转换可见光。其中绿光（525~570nm）是由钬离子的5S2→5I8跃迁发出的，红光（630~675nm）是由钬离子的5F5→5I8跃迁发出的。
图2是本实施例1所制备的钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料的XRD图。如图所示，a和b完全匹配，说明合成的样品为铌酸锂晶体，其中a为铌酸锂标准卡片，b为实施例1所合成样品。
图3是本实施例1所制备的钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料的SEM图。如图所示，所合成钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料为方块状，颗粒大小在500nm以下。
实施例2
本实施例提供一种小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料，其制备方法基本与实施例1中的方法一致，区别在于：步骤1中的五水硝酸钬为8.215×10-3mmol、五水硝酸镱为4.107×10-1mmol、一水氢氧化锂为5.630mmol和五氧化二铌为2.166mmol。该方法制备得到的小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料的性能与实施例1类似。
实施例3
其本实施例提供一种小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料，其制备方法基本与实施例1中的方法一致，区别在于：步骤1中的五水硝酸钬为4.575×10-2mmol、五水硝酸镱为9.151×10-2mmol、一水氢氧化锂为6.510mmol和五氧化二铌为2.504mmol。该方法制备得到的小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料的性能与实施例1类似。
实施例4
其本实施例提供一种小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料。其制备方法基本与实施例1中的方法一致，区别在于：步骤1中的五水硝酸钬为9.265×10-3mmol、五水硝酸镱为9.265×10-2mmol、一水氢氧化锂为6.617mmol和五氧化二铌为2.545mmol。该方法制备得到的小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料的性能与实施例1类似。
实施例5
本实施例提供一种小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料，通过如下方法制备得到。
1.称取2.032×10-2mmol的四水醋酸钬、2.032×10-1mmol的醋酸镱、2.76mmol的五氧化二铌和7.177mmol的氢氧化锂放置于反应釜内胆中。
2.量取40mL去离子水加入反应釜内胆中，搅拌均匀。
3.将反应釜拧紧，并置于高温干燥箱中260℃反应48h。
4.待反应釜冷却，7000rpm离心5min收集沉淀，并用去离子水清洗3次。
5.将干燥后的沉淀物放置于马弗炉中650℃煅烧0.5h。
6.将煅烧后的上转换材料研磨2min，制备得小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料。该方法制备得到的小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料的性能与实施例1类似
实施例6
本实施例提供一种小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料，通过如下方法制备得到。
1.称取4.062×10-2mmol的五水硝酸钬、4.062×10-1mmol的五水硝酸镱、2.133mmol的五氧化二铌和5.545mmol的氢氧化锂放置于反应釜内胆中。
2.量取40mL去离子水加入反应釜内胆中，搅拌均匀。
3.将反应釜拧紧，并置于高温干燥箱中260℃反应72h。
4.待反应釜冷却，7000rpm离心5min收集沉淀，并用去离子水清洗3次。
5.将干燥后的沉淀物放置于马弗炉中600℃煅烧1h。
6.将煅烧后的上转换材料研磨2min，制备得钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料。该方法制备得到的小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料的性能与实施例1类似。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将钬源、镱源、铌源和锂源溶解得到混合溶液；所述钬源、镱源、铌源和锂源的摩尔比为1~5.579: 11.14~50.06: 260.1~310.0: 676.0~806.3；
S2：所述混合溶液于260~280℃下反应至少48h，冷却，离心，洗涤，干燥后得沉淀物；
S3：将所述沉淀物于500~650℃下煅烧0.5~2h，研磨即得到小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述钬源为五水硝酸钬或四水醋酸钬中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述镱源为五水硝酸镱或四水醋酸镱中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述铌源为五氧化二铌。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述锂源为一水氢氧化锂或氢氧化锂中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述钬源、镱源、铌源和锂源的摩尔比为2.180: 21.80:296.2: 770.0。
7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，S2中反应的温度为280℃，时间为72h。
8.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，S3中煅烧的温度为500℃，时间为2h。
9.一种小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料，其特征在于，通过权利要求1~8任一所述制备方法制备得到。
10.权利要求9所述小尺寸钬和镱双掺杂铌酸锂上转换材料在光学领域中的应用。
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